環境中有什麼污染?它是如何量測的呢?我們每日必須飲食的水、牛奶、雞蛋是否含有不安全的添加物或抗生素?它們是如何被檢測的呢?一般常見的做法是將收集的樣品送到實驗室,利用氣相層析-質譜儀 (GC-MS) 或高效能液相層析儀(HPLC)等物理化學方法來分析,雖然這些方法可以得到高度準確的結果,但是較為昂貴、耗時,也不能在現場即時進行。微生物生物感應器 (microbial biosensor) 是一種相對簡單、成本適中、攜帶方便的檢測工具,是作為監測污染物替代方法的好選擇。

生物感應器(biosensor, 在本篇中是指被利用來當作感測器的生物材料,不是用於感測生物分子的感測器)利用生物材料來辨識環境中的目標分析物,接著引發一個對應性的生物反應,產生可測量的光子或電子訊號,透過物理化學分析儀器結合數據分析處理軟體將訊號轉為易辨讀的數據或圖表。常被用來作為生物感應器的生物材料包括純化的酶、抗體、核酸、細胞受體或活細胞等,各材料有其優缺點,目前這些材料被廣泛應用於環境、醫藥檢測裡。在這些生物材料中,細胞使用活的原核細胞或真核細胞,不僅能反映目標分析物的存在,還能反映它對生物的毒性,提供待測分析物的生物安全資訊。相較於真核細胞,細菌作為生物感應器的辨識材料在操作上較簡易、反應時間較短,容易保存以及複製,而且在惡劣環境中的生存耐受力較高,細菌也因此更利於檢測分析。

天然的細菌和基因轉殖的細菌已廣泛被研究以應用於環境風險的檢測(圖一a)。天然的細菌能透過生理活性的改變反映外來刺激的程度與種類,外在因子能影響細菌的代謝、基因表現或蛋白質修飾,進而影響細菌生理行為反應,透過細菌型態、大小、顆粒性、運動能力或生存力的改變可以評估環境的優劣。除此之外,天生發冷光的細菌(Aliivibrio fischeriPhotobacterium phosphoreum等)也是評估環境因子的好工具,環境中的毒物可藉由破壞電子傳遞鏈影響細菌的代謝,降低冷光的產生,配合光學儀器分析即可評估環境因子對生物是否有毒性,例如費氏弧菌(Aliivibrio fischeri)在含有多環性芳香化合物的環境中,它的天然冷光被抑制產生,A. fischeri 也因此被環保署指定為生物急毒性的檢測方法之一 ( 「生物急毒性檢測方法-細菌冷光法」106年6月14日環署檢字第1060043097號公告 自中華民國106年9月15日生效, NIEA B301.10C )。

相較於天然細菌,基因轉殖的細菌能產生對目標分析物有較專一的反應,檢測訊號也往往較為顯著。將帶有特定的啟動子(promoter)與報告基因(reporter gene)的質體轉殖到天然的細菌裡或插入細菌的染色體中,在特定的目標分析物刺激下,專一的啟動子會被活化,報告基因也因此被關閉或被誘導表現(圖一b),造成報告蛋白被轉譯的量減少或增加。一般常見的報告蛋白有螢光蛋白  (fluorescent protein)、β-半乳糖苷酶 (β-galactosidase,lacZ)、細菌冷光酶 (lux)、螢火蟲冷光酶 (luc),這些報告蛋白通常藉由光學分析儀器即可量測含量的多寡,因此可以進而得知目標分析物的種類及含量。

圖一、天然細菌與基因轉殖細菌在生物感應中的應用

近幾年,本院應科中心鄭郅言研究員及實驗室團隊與以色列希伯來大學Dr. Shimshon Belkin合作發展出一套微型生物感應系統 (LumiSense) (圖二及圖三),這套系統使用經過基因轉殖的大腸桿菌( E. coli),帶有抗生素誘發啟動子(antibiotic-induced gene promoter),與細菌冷光酶的基因,結合自行設計的微流體生物晶片、溫度控制器、影像擷取分析系統(CCD)及數據分析程式,能在20到80分鐘間偵測到牛奶、蛋白或雞精中的抗生素(環丙沙星ciprofloxacin),偵測極限介於4到8 ng/ml,這個值低於歐盟食物安全的最高容許值 (100 ng/mL) 以及臺灣食藥署的最高容許值(10 ng/mL,「食品中動物用藥殘留量檢驗方法—多重殘留分析(二)」, 102年9月6日部授食字第 1021950329 號公告修正)。除了檢測快速與高靈敏度,樣品的處理相當簡易,在混合、稀釋或均質化(homogenization)後即可直接將樣品與基因轉殖細菌反應,半小時後就可產出分析結果。這個生物感應器提供快速、簡易、靈敏的分析,對於高通量的樣品篩選很有幫助。此研究成果發表於《Analytical and Bioanalytical Chemistry》期刊DOI 10.1007/s00216-017-0792-x

 

圖二、 生物感應器(LumiSense)偵測牛奶中抗生素之示意圖, 牛奶樣品不需經過前處理,可以直接與E. coli生物感應器接觸,如果樣品中含有待測的抗生素,E. coli 就會發出冷光,量測該冷光就可以進行抗生素的檢測。

 

圖三、A. LumiSense 系統的微流體晶片 B. LumiSense系統照片。整個系統的尺寸大約是 20 cm x 30 cm x 10 cm, 屬於可攜式的系統。發表於 《Lab-0n-a-chip》DOI: 10.1039/c4lc01189a

 

隨著智慧產品的精進,高解析度的智慧型照相機搭配數據分析app讓可攜式、即時記錄的生物感應器成為可實現的檢測工具。人手智慧機的時代,若每一支智慧行動器都可以成為簡易、靈敏的偵測器,每個人就可以為自己的環境及生活即時把關 ! 這也是本實驗室目前的研究方向。