合成生物学在农残检测领域的应用

毛金竹，肖淑玲，杨智淳，王孝宇，张诗，陈俊宏，谢佶晟，陈福德，黄子诺，冯天宇，张瑷珲，6，方柏山，6，7

（1厦门大学遗传工程机器设计创新实践平台，福建厦门361005；2厦门大学化学化工学院，福建厦门361005；3厦门大学药学院，福建厦门361005；4厦门大学材料学院，福建厦门361005；5厦门大学公共卫生学院，福建厦门361005；6厦门市合成生物技术重点实验室，福建厦门361005；7福建省化学生物学重点实验室，福建厦门361005）

引 言

二十世纪中叶以来，随着化学品生产工艺的革新，廉价高效的农药逐渐成为现代农业生产中的“必需品”。图1（a）表明，世界每公顷耕地面积的农药使用量（kg/ha）从1990年至2017年增长了70%[1]。在全球范围内，每年农药的使用量接近30亿千克，商品估值约为400亿美元[2]，这些数据表明农药的市场十分庞大并不断扩张。

虽然农药的使用有效地避免了农作物的病虫害，提高了产量，但随着农药的使用范围不断扩大，其对于环境的污染和动植物的危害也显露出来，直接威胁着人类的健康[图1（b）]。化学合成农药是应用最广泛、毒副作用最显著的一类农药，包括有机磷类、有机氯类、拟除虫菊酯和氨基甲酸酯类等[2]。这类农药化学性质稳定、半衰期长并且能够在自然界长期存在并蓄积[3]，从而引起环境污染。据研究报道，在地下水、地表水[4]、土壤[5]、空气[6]和高海拔地区[7]都能检测到这类农药。化学合成农药还表现出广泛的毒性，有机磷农药和有机氯农药具有强的神经、消化、内分泌、生殖系统等[8-15]毒性。拟除虫菊酯和氨基甲酸酯类杀虫剂虽然毒性较小，但也被报道能够增加多种疾病的患病风险[16-18]。农药残留对人类的健康造成了极大的威胁，对其进行有效检测成为保障人类健康安全的重要环节。但常规的检测手段操作复杂、等待时间长、检测成本昂贵[19]，无法满足农残原位检测的需要。因此开发灵敏度高、特异性好、耐用性强的便携快速检测方法对微量甚至是痕量的农残进行有效监控已成为农药检测研究领域的热点及难点之一。

合成生物学作为一门新兴科学，通过基因编辑手段和工程化思维对生物体进行改造与创新，常被称作变革性的工具。其独特的创造性近几十年来给多个领域和行业带来了新的生机与活力。以环境修复领域为例，利用合成生物学改造出的菌株能够有效检测和降解多种环境污染物[20-22]，其中包括对农药残留的检测。合成生物学能够将传统的生物传感器、农残诱导操纵子等响应部件和输出不同信号的报告系统进行多样化组合，激发传统生物检测技术的新潜能，为多种农残的检测提供新的思路与方法。原位检测农残的特点更是传统检测手段无法比拟的，高灵敏度和多输出信号也打破了农残检测的固有局限，拓宽了检测的应用范围。对比传统的检测手段，本文归纳与总结当前合成生物学技术在农残检测领域的应用与创新，分析其具有的优势与挑战。

1 传统检测方法

图1 世界农药使用量情况及其危害[1]Fig.1 World pesticide use and itshazards[1]

目前检测农药残留的传统方法大致可分为两类：一类是以色谱法、质谱法、光谱法以及酶联免疫吸附（ELISA）等方法为代表的常规方法，这些方法能够提供可靠的分析结果，但操作费时、预处理复杂、成本昂贵且需要使用大量的有机溶剂，因此不适用于针对大量样品的检测工作[23]；另一类则是基于各种生物传感器的先进检测方法，操作简单、检测成本低且适合现场检测，但高昂的开发成本限制了其在现阶段的应用。

1.1 传统的波谱检测技术

1.1.1 气相色谱法 气相色谱（GC）适用于分析非极性、易挥发且易气化的化合物。其通常与特定的检测器结合用于不同农药检测，表现出了优异的性能[24]，如电子捕获检测器（ECD）适用于检测卤代化合物，火焰光度检测器（FPD）主要用于测定含硫和磷的农药化合物，氮磷检测器（NPD）对含有氮和磷的农药有极高的选择性，而火焰离子化检测器（FID）则几乎适用于各种农药的检测[25]。

1.1.2 液相色谱法 液相色谱（LC）可以用于检测强极性、挥发性弱及对热敏感的化合物，一般与荧光检测器、紫外检测器等检测装置联用。其中高效液相色谱法被广泛应用于农残检测[26]。

1.1.3 质谱法 质谱法（MS）常与GC、LC联用。GC-MS检测器拥有更强的灵敏度、准确性、结果重现性以及抗干扰性。此外，使用GC-MS能够进一步提高检测方法灵敏度与抗干扰能力[25]。LC-MS极大地提高了检测结果的准确性与选择性，且能够同时完成不同农药成分的识别与确认。由于其无须衍生化、高灵敏度等特点，近年来已经成为多组分农残分析中的首选方法[26]。

1.2 酶联免疫吸附法

酶联免疫吸附（ELISA）法因其低成本、操作简单等优点而被格外重视。该方法基于抗原-抗体间的特异性相互作用，因此能为某些农药提供特异性极高的检测结果。同时，该方法能够一次性装载大量样品，极大地简化了样品的处理程序[27]。

单链抗体（scFvs）和纳米抗体（VHHs）等小抗体与特定蛋白进行融合产生的新型酶联免疫吸附方法也开始出现[28-29]，常见的设计为抗体-碱性磷酸酯酶（AP）融合体。如图2所示，这种融合表达设计能够省去二抗的步骤，是一种简单快速的竞争性酶联免疫吸附测定方法。该法已被应用于拟除虫菊酯类农药[28,30-31]、有机磷类农药[32-34]的检测。但该技术特异性较差，对于特定农药检测的专一性不够强，无法胜任未知样品的农残检测[35]。

1.3 毛细管电泳法

毛细管电泳法（CE）对样品量要求较低、分离效率高且耗时短。但毛细管内径较小，在检测中只允许少量进样，因此在灵敏度方面有一定的欠缺，一般与高灵敏度的检测方法（如MS）联用以弥补不足[36]，或者通过更高效的样品浓缩方法来提高检测的灵敏度[37]。该方法与色谱法及ELISA相比，进一步提高了检测效率并降低了成本。

1.4 表面增强拉曼光谱法

表面增强拉曼光谱（SERS）法具有快速测定食品中农药残留的能力，其灵敏度极高且操作方便。目前已经开发出多种SERS检测方法：原位SERS方法，可直接检测植物表面的农药残留[38-39]；以纳米银粒子为基质的SERS方法无须样品处理即可检测饮料样品[40]；结合表面拭子的SERS方法可对水果表面残留的农药进行检测[41]。但使用该方法需建立不同农药分子的光谱数据库，并对农药的代谢物、转化产物等进行光谱学的研究。

图2 利用scFv-AP进行竞争性酶联免疫吸附测定（ELISA）[32]Fig.2 The competitive enzyme-linked immunosorbent assay(ELISA)was performed using scFv-AP[32]

1.5 传统的无细胞生物传感器法

传统的无细胞生物传感器基于配体-受体特异性结合的原理，将待检测物的含量、种类等信息通过不同的方法转化为各种信号，从而达到定量检测的目的[42-47]。这类方法与前述的方法相比集成度高、简单便携且不依赖于精密仪器。

1.5.1 电化学生物传感器 电化学传感器依靠不同的酶与特定农药结合后释放的电信号完成对农药的识别与定量，一般将酶纯化后固定于电极进行检测。酶及电极材料的选择对传感器特性影响显著。传统的乙酰胆碱酶（AChE）传感器检测番茄中的农药，常见农药检出限约为2μmol/L[42]。而使用Fe3O4/羧基化多壁碳纳米管修饰过的金电极作为负载材料时，针对某些常见农药的检出限可低至0.1 nmol/L[43]。但这种方法的局限在于酶的纯化成本较高，操作也十分复杂。与全细胞生物传感器相比，重复使用性能不足。

1.5.2 压电生物传感器 将能与待测物特异性结合的蛋白负载在具有压电效应的材料上，待测物存在时，其与蛋白之间的吸附作用会导致蛋白质量发生变化，这种变化会转化为电信号，放大后实现农残定量检测。二氧化硅作为传统的压电材料，在早期常作为承载物使用[44]。近些年随着材料技术的发展，选用聚合物材料作为承载物开始逐渐成为一种趋势[45]。

1.5.3 荧光探针生物传感器 通过设计荧光探针测定酶活，进而检测农残的方法在氨基甲酸酯类和有机磷类农残检测中都有广泛的应用。有机磷和氨基甲酸酯能够抑制乙酰胆碱酯酶的催化作用，利用这一特性开发了基于乙酰胆碱酯酶（AChE）催化的高灵敏度荧光生物传感器[46-47]，其作用原理见图3。

传统的生物传感器主要以无细胞传感器为主，利用纯化蛋白结合负载材料或设计探针的方法实现农残的检测。与之不同的是，合成生物学传感器则在细胞内构建响应农残分子的模块化基因回路，农残分子或其降解产物在胞内特异性的结合启动了响应模块的表达，以此实现农残分子快速和高灵敏的检测。综上所述，现行的一些传统农残检测方法仍存在成本高、操作复杂等局限性，寻求能够突破这种局限的创新方法成为当前研究的主要目标，合成生物学的出现为实现这个目标创造了可能。

2 应用于农残检测的合成生物学

近年来合成生物学模块化、工程化思想逐渐应用于农残检测领域，本节将结合目前合成生物学在农残检测领域的应用（表1），对其应用原理进行介绍。

2.1 全细胞生物传感器

合成生物学技术可以在细菌体内构建模块化基因回路并建立起能够检测特定类型农药的全细胞生物传感器。生物传感器的构建不再需要纯化蛋白的复杂步骤，而是将整个细胞作为检测器，大大节省了时间和成本。

2.1.1 表面展示水解酶 当前研究已报道了多种能够降解特定农残的酶，如有机磷水解酶（OPH）[60]、甲基对硫磷水解酶（MPH）[61-62]、γ-六氯环己烷脱氢氯酶[48]等。这些酶能够将农残降解为更易于检测的

图3 基于AChE的高灵敏度荧光生物传感器[46]Fig.3 High sensitivity fluorescent biosensor based on AChE[46]

表1 合成生物学在农残检测中的应用Table 1 Application of synthetic biology in pesticide residue detection

小分子或特征化合物，通过检测降解产物可以间接测定农残含量。这些酶的发现及其基因鉴定是合成生物学的改造基础。农残降解酶通常存在于土壤微生物体内，但这些微生物往往繁殖能力弱、对生长环境要求高、产酶效率低，不适合作为全细胞生物传感器的底盘细胞。合成生物学技术将原始宿主菌体内的降解途径转移到易于进行基因操作的细菌体内，成功构建出高效的农残检测工程菌株[48]。同时为了避免农药低效的跨膜转运及转运的损失，常通过表面展示系统将降解酶表达在菌体表面，利用体外催化的方式实现对农残的降解与检测[53-54,63]。除催化型的生物传感器外，近些年利用重组基因技术在菌体表面展示抗体的农残检测方法也开始出现[58]。

2.1.2 转录激活反应 操纵子系统对农残进行特异性响应也是合成生物学在农残检测领域的一种重要应用。转录调节因子可以结合特定的农药化合物，进而作用于相应的启动子，开启其转录过程。其作用原理如图4所示：将各种类型的报告基因插入到启动子的下游，若试样中有农残存在，则会激活启动子，启动报告基因的表达，通过检测输出信号测定农残含量。操纵子与报告基因多样化组合的特点，使得不同强度甚至响应不同农药的基因元件可以组合使用，并且能够进行灵活多变的调节，应用范围十分广泛，如AtzR[49]、DmpR等[64]。

图4 农药分子特异性激活转录调节因子Fig.4 Pesticide specific activation of transcription regulators

多种农药及其降解产物具有干扰细胞内分泌的功能，表现为雌激素样作用或抗雌激素样作用，因而可以通过内分泌干扰物筛选试验进行农残检测[65]。利用这一特性已开发了酵母转录激活基因（GAL4）双元系统等一系列的农残检测方法[66]。GAL4双元系统法中两种质粒：表达雌激素受体配体结合域（ERdef）和Gal4融合蛋白的pGal4-ERdef质粒与Gal4反应性荧光素酶报告质粒pUAS-tk-Luc共转化，其中Gal4能够显著诱导UAS下游基因的表达。通过测试样品是否诱导/拮抗Luc（荧光素酶）表达，来判断试样中是否存在农残。合成生物学方法使用报告基因显示样品的内分泌干扰作用使得农残检测更加直观和方便，增加可视性的同时也大大降低了农残检测的难度。

2.2 无细胞合成生物学

无细胞合成生物学指的是构造的工程化回路在无细胞底盘的类细胞系统中（含有细胞表达的必需成分）进行转录与表达[67]，其能精准控制各组分的混合比例，与简单的数学建模相结合，检测更加准确。无细胞合成生物学的出现，规避了基因修饰微生物（genetically modified organisms,GMOs）的释放，避免了生物安全性问题[68]，使得合成生物学应用于农残的现场检测更为安全，更具实用性。同时无细胞合成生物学方法对于检测环境的要求更为宽松，能够在高毒性环境下工作，适应多种农残检测的需要。该系统还能避免农药进入细胞转运效率低、重组菌发生基因突变等问题。目前使用荧光素酶作为报告基因的无细胞生物传感器已成功用于转录诱导物的检测研究[69]，但无细胞合成生物学的研究还十分稀缺，主要原因是目前对天然的体内遗传学的研究仍不透彻，其开发与应用具有极大的挑战性。高成本、技术难度大、实施困难等弊端严重地限制了其开发与规模化应用[67]，随着技术的不断创新，相信未来的农残检测领域将会涌现出一系列优秀的无细胞合成生物学检测方法。

从本节的叙述中可以发现，合成生物学技术在农残检测中的应用原理十分多元化，足以表明合成生物学在此领域具有巨大的研发价值与应用潜力。

3 合成生物学在农残检测中的应用

3.1 合成生物学应用于有机氯农药的检测

有机氯农药（OCs）是一类半衰期长的有机化合物，常见的有机氯农药有二氯二苯基三氯乙烷（DDT）、林丹（γ-HCH)、阿特拉津、β-六氯环己烷（β-HCH）等。由于使用广泛和半衰期较长，OCs已成为环境中普遍存在的污染物[70]。

对于有机氯农药，目前的主要检测方法是气相色谱-质谱法、固相萃取色谱法等复杂精细的方法，这些方法费时又昂贵，不适于现场检测。近些年来针对此类农药，已经开发出一些极具潜力的合成生物学检测方法。

3.1.1 代谢矿化作用 检测有机氯农药的主要思路是将难以直接检测的有机物初步代谢为易于检测的化合物。研究表明γ-六氯环己烷氯化氢酶通过三步脱氯作用，可初步降解林丹（γ-HCH），并释放三个HCl分子。聚苯胺的质子化程度及其电导率随pH的降低而增加，将HCH脱氯化氢酶（LinA2）基因导入大肠杆菌中表达，并将工程菌固定在可检测pH变化的聚苯胺基质中，施加0.4 V电势时，电流可随pH的降低（HCl分子的产生）而增加，因而构建出高灵敏度、选择性强的林丹（γ-HCH）全细胞传感器[48]。

而在Gong等[71]的研究中，在底盘生物恶臭假单胞菌KT2440中组装了来自三种不同微生物的七种酶，将γ-HCH完全矿化为CO2和H2O。尽管尚未有基于此的检测研究成果报道，但是若能设计出响应这一过程分解产物的生物元件，便能开发出全新的农药检测传感器。

3.1.2 激活转录调节因子法 Hua等[49]利用转录调节因子AtzR与阿特拉津降解产物氰尿酸的特异性结合能够作用于atzD启动子输出信号的特点来实现对阿特拉津的检测。在此研究中，atzD启动子及其调节转录因子AtzR与氰尿酸作用，让氰尿酸检测从pH检测、电流检测等中脱离出来，以lux CDABE基因实现生物发光报告氰尿酸的浓度，直接明了且易于操作。

3.2 合成生物学应用于有机磷农药的检测

有机磷农药（OPs）是磷酸及其衍生物的酯类化合物，其主要的作用机制是抑制乙酰胆碱酯酶（AChE）的活性[11]。由于有机磷农药具有多种毒性，其一直是农残检测的重点对象。

目前针对有机磷农药的合成生物学检测手段主要分为两大类：一类是基于有机磷水解酶（OPH）、甲基对硫磷水解酶（MPH）等催化型的生物传感器；另一类是基于乙酰胆碱酯酶（AChE）抑制型的生物传感器[50,72]。考虑到纯化酶成本和有机磷转运入胞效率等问题[28-29,73]，目前的研究通常在菌体表面展示相关酶，常用的表面展示系统包括Lpp-OmpA[22,50,73]、INPNC[22,53-54,63]等。

3.2.1 表面展示有机磷水解酶（OPH）有机磷水解酶（OPH）是一种能够水解多种有机磷农药的酶[60]，由opd基因编码。其水解产物多样化，可与多种感应系统搭配使用，应用价值高。

（1）pH检测法 目前已在大肠杆菌、酵母菌等菌体内成功表达OPH，催化有机磷生成质子。其与表面展示系统联用，可通过测定菌体周围的pH，建立有机磷浓度与pH之间的定量关系，从而实现直接、快速、便捷检测有机磷的目的[21,50]。检测装置如图5所示，将工程细胞悬液滴入聚碳酸酯膜中心，并将细胞固定膜连接到pH电极的氢离子传感玻璃表面，将溶解在纯甲醇中的有机磷神经毒剂（5～10μl）添加到电池中（过程在恒温的缓冲液中进行），用pH/离子分析仪记录电势（即pH）的变化最后传输到记录器，这种检测方法已被证实可在2个月内保持良好的稳定性，检测限可低至2μmol/L[50]。

此外利用绿色荧光蛋白（GFP/EGFP）的荧光值能对pH变化做出快速响应的特点也可实现检测。如图6所示，将水解酶与荧光蛋白融合[22]或共同表面展示[51,60]，通过荧光显微镜测定全细胞荧光强度实现有机磷农药浓度的检测，检测十分快速，较电极法操作更简便。

虽然pH检测法简便快速，但其对有机磷农药的特异性不强，易受到多种因素的干扰，对于一些较为复杂的检测情况，其实用性仍存在一定的问题。

（2）对硝基苯酚（PNP）响应法 OPH降解对硝基苯基取代的有机磷农药的产物之一是对硝基苯酚（PNP），因而对对氧磷、对硫磷、甲基对硫磷等有机磷农药进行检测的另一种思路是检测PNP的浓度。

通过合成生物学构造表面展示OPH的重组大肠杆菌细胞降解产生PNP，从而开发出的光纤生物感应器就是其中一个成功的案例[52]。该系统适用于多种有机磷的检测，具有较强的选择性。此外，直接利用分光光度计在410 nm处检测PNP也显示出较宽的检测范围和较强的特异性，还具有比光纤检测系统更加优良的灵敏度[53]。

而间接响应PNP需要借助能够降解PNP的恶臭 假 单 胞 菌JS444（Pseudomonas putidaJS444）[74]。通过基因改造在恶臭假单胞菌JS444表面展示OPH，使其能够同时降解有机磷（OPs）和PNP。一系列的酶促反应会消耗氧气，故将其与溶解氧电极搭配能建立有机磷农药含量与电流之间的定量关系，从而实现对硝基苯基取代的有机磷农药的检测[54,75]。与前文pH检测法相类似，将工程菌固定在氧电极上，向电池中添加10～20μl已知浓度的有机磷农药溶液，使用数字生物氧监测仪进行监测，最后传输数据至图表记录器，5 min后测量氧电极的稳态输出。出色的灵敏度、稳定性和便携易操作的优势都使其成为合成生物学在农残检测中应用的经典案例。此外，恶臭假单胞菌JS444还可被另一种能够降解PNP的莫拉氏菌属（Moraxellasp.）代替[76]，可起到同样的效果[55,77]。

3.2.2 激活转录调节因子法 已发现了对氧磷诱导型启动子[78]及能够被毒死蜱（CPF）敏感型转录调节因子（ChpR）开启的启动子ChpA[56]，若在它们下游安插报告基因，可通过对报告信号的监测来实现检测。此外，还存在多种能够被对硝基苯酚（PNP）激活的转录调节因子，并已应用于有机磷的检测，如PnpR[57]、DmpR[64]。OPH催化产生的PNP激活转录因子，被激活的转录因子与同源启动子结合（如PnpR-PnpC，DmpR-Pdmp），可开启下游报告基因的表达，通过比色法或其他检测技术就可简单、快速地对有机磷农药进行检测。该法能够与多种报告基因组合，可根据不同的检测需要进行方案调整，充分体现了合成生物学的优势。

图5 pH玻璃电极检测有机磷[50]Fig.5 Detection of organophosphorus by pH glass electrode[50]

图6 表面展示水解酶及绿色荧光蛋白[22,51]Fig.6 Surface display of hydrolase and green fluorescent protein[22,51]

3.3 合成生物学应用于拟除虫菊酯类农药的检测

拟除虫菊酯类农药对多种害虫具有杀伤作用，毒性相对较小，一直被广泛使用，但长期接触仍会对哺乳动物带来内分泌干扰、免疫毒性等多种不良反应。因此农副产品和食品中拟除虫菊酯的残留问题也不容忽视[79]。

3.3.1 基于重组基因技术的免疫检测 近些年免疫检测技术迅速发展，已经有研究者设计了高效的针对拟除虫菊酯的免疫测定法[80]。拟除虫菊酯在人类体内会较快代谢为3-苯氧基苯甲酸（3-PBA），因此3-PBA是一种用于监测人类接触拟除虫菊酯杀虫剂的生物标志物[28,58]。Riangrungroj等[58]研究出了一种响应3-PBA的全细胞生物传感器。其使用合成生物学技术在大肠杆菌表面展示抗3-PBA VHH。当工程细胞与加入的牛血清白蛋白偶联的3-PBA半抗原（3-PBA-hapten-BSA）结合时，可以直观地观察到细胞粘连。若样品中存在游离的3-PBA，其与3-PBA-hapten-BSA竞争结合VHH，破坏细胞粘连并使之沉淀。同时通过共表达紫蓝色amilCP色素蛋白使细胞着色，提高了检测性能，检测限可低至3 ng/ml。

3.3.2 转录激活试验 借助拟除虫菊酯类农药的雌激素样作用[81]及其降解产物3-PBA的抗雌激素活性开发出了一种雌激素受体（hERα/rERα）介导的荧光素酶报告法[66]。利用雌激素结合域（ERdef）和GAL4的融合蛋白及GAL4反应性荧光素酶报告质粒pUAS-tk-Luc，测试样品是否诱导Luc（荧光素酶）表达或拮抗Luc表达，来判断试样中是否存在拟除虫菊酯类农药。此外，将雌激素受体（ER）替换成雄激素受体（AR），也显现出类似的作用原理[82-83]。但由于自然界有多种能够影响雌激素作用的物质，故该方法不适合用于针对未知样品的检测。同时拟除虫菊酯类的农药雌激素样作用相对较弱，甚至在有些研究中未呈现雌激素样作用[84]，这直接导致检测灵敏度不佳[66]。

表2 合成生物学方法检测农残的优缺点Table 2 Advantages and disadvantages of synthetic biological methods for pesticide residues detection

3.4 合成生物学应用于氨基甲酸酯类农药的检测

氨基甲酸酯类农药在自然环境下的持久度低且杀虫效果好，因而成为近年来应用较为广泛的杀虫剂[85]。氨基甲酸酯会不可逆地抑制中枢和外周神经乙酰胆碱酯酶的活性，导致乙酰胆碱在人体内大量聚集，严重可致命[86]。

我国现行氨基甲酸酯类农药国家标准检测方法有色谱法、胆碱酯酶抑制法等。色谱法仪器体积大、操作要求较为严格。因此建立灵敏、简便的检测方法是很必要的[59]。无细胞生物荧光传感器就是一种可行的方法，张昊等[59]从氨基甲酸酯类农药降解菌H5的基因文库中筛选出能对氨基甲酸酯特异性响应的启动子基因，在其下游连接荧光蛋白（EGFP）基因构建重组质粒，后通过溶菌酶冻融破碎技术制备出能高效检测氨基甲酸酯类农药的无细胞体系生物荧光传感器。

虽然现阶段合成生物学在氨基甲酸酯类农残检测中的应用较少，但是一系列氨基甲酸酯类化合物的水解酶的发现及其在大肠杆菌中的成功表达[87]，展现了这一领域的潜力，相信在未来合成生物学将会在氨基甲酸酯类农残检测中有更大的贡献。

4结 语

合成生物学作为一门新兴学科，在短短十多年间已经取得了众多突破性的进展。目前研究者们已经构建了大量在实验室范围内可用的全细胞生物传感器，也开发了一些更具实际应用优势的无细胞合成生物学检测方法，在多种农药的特异性检测方面取得一定的研究成果。这些传感器大多通过设计巧妙的特异性响应，使得在特定农药分子存在时出现易于监测的阳性信号，大大方便了农残检测[20]。相比传统方法，这些新方案存在诸多优势（表2），其不需要大而昂贵的精密仪器，也不需要复杂的运输和前处理过程，更加具有现场检测、原位监测的潜力，在商业化上也更有成本优势。

但是，合成生物学在农药检测中的应用尤其是全细胞传感器仍然面临着众多挑战。全细胞生物传感器一般无法达到化学检测的精度，而且在很多情况下由于报告基因的表达所需的时间而造成延长响应，此外如何在营养缺乏甚至是含毒性化合物的环境下保存细胞活力也是必须考虑的问题[88]。针对上述问题，研究人员试图通过精制宿主植株[89]、设计更敏感的启动子[90]、使用表面展示的蛋白[91]等提高微生物传感器的特异性、敏感性并减少响应时间[92]。选择水凝胶[93]等材料进行封装，提升安全性同时方便储存。

近年来各种各样的合成生物学检测方案正在进行从实验室走向实际推广应用的尝试。一方面这需要克服前文提到的检测限、特异性和培养条件等限制，另一方面也必须考虑生物安全问题。这不仅要求研究人员加强生物控制，也要求在应用前对微生物衍生传感器对生态环境和人类健康的潜在影响进行更系统的评估[88]。在未来，微生物传感器也将向着更自动化、更精细的无细胞系统发展，具有广阔的前景[89]，合成生物学势必在其中起到关键性的作用。