噬菌体检查
病原体是许多疾病的主要诱因，对人类健康构成了严重威胁。近年来，食品、水源和环境中致病微生物已造成世界上许多流行病的爆发。因此，为了控制病原体的传播并减少流行病的发生，检测致病微生物的技术的成熟可行性显得尤为重要。
培养物细菌分离和鉴定是实验室检测病原体的“金标准”方法。该检测方法虽然足够灵敏，但耗时较长。目前，后续开发的许多快速检测方法已克服了这个问题。这些快速检测方法可分为核酸、抗体和适配体层面检测，虽然这些快速检测法在时效上优于培养物检测法。但是，也有各自的优缺点（表1），仍需要对其进行改进。
表1 各种快速病原细菌检测法的优劣点和敏感度
提高检测精确度和缩短检测时间是研发快速检测的目标。目前，生物传感策略可以实现这一目标。根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）提出的生物传感器的定义，“生物传感器是一种自我控制的设备，它包含生物识别原件（生物探针/生物受体），该传感器与换能器相连，将生物信号转换为计算机可读信号，然后呈现在计算机上并进行分析（图1）。通常使用的生物探针是噬菌体、酶、细胞、核酸和抗体。下文我们将重点讲述噬菌体生物传感器的原理及发展。
图1 从不同样本中检测病原体细菌的各种生物传感器的原理
噬菌体是一种病毒，仅在细菌内感染和繁殖。 由于它们与细菌一起进化，因此噬菌体具有极其特殊的机制来识别并感染其宿主细菌进行繁殖。噬菌体的头部包含遗传物质，尾巴负责识别并附着在细菌上。由于噬菌体与宿主细菌的特异性，它们被广泛用于识别细菌和灵敏侦测。作为生物快速识别探针的噬菌体在细菌感测中具有许多优势⑴对宿主极具特异性；⑵具有产生大量子代噬菌体的能力；⑶可以耐受较广的环境条件（如室温，清洁剂和液体中）⑷操作安全；⑸可以区分死细菌和活细菌，因为它们仅在活细菌中增殖；⑹批量生产经济成本低廉。这些优势使噬菌体成为领先的生物识别探针，有助于开发用于细菌筛选的生物传感器。
生物传感器中可被利用的噬菌体成分：
1．以报告噬菌体为探针
报告噬菌体是经过基因编辑的噬菌体，用于将特定基因导入目标细菌的基因组中。 表达插入宿主细菌的外源基因，使被噬菌体感染的细菌产生荧光，进行细菌筛选。
2．染色噬菌体
用不同荧光染料染色的噬菌体，染色的噬菌体探针在感染和攻击宿主细菌时可以区分目标细菌。
3．裂解性噬菌体
裂解性噬菌体感染导致细菌裂解，释放子代噬菌体和细菌碎片，提供了识别靶细菌的基础。
4．捕捉性噬菌体
固定在固体表面的噬菌体可用于捕获所含样品中的特定细菌。 噬菌体在其外部具有许多功能活性基团，例如羟基（-OH），醛基（-CHO），羧基（-COOH）等，从而赋予了它们独特的特性，使其能够与其他物质相互作用并与细菌表面受体分子结合。
5．噬菌体受体结合蛋白
噬菌体的尾丝部分对宿主细菌表面的受体具有天然的结合力，这种与受体可以结合的尾丝蛋白称为受体结合蛋白（RBP），RBP可以用来做特异性宿主菌的检测探针。
噬菌体成分可被固定在传感器中的策略：
1. 通过物理吸附、静电结合和共价键结合
固定噬菌体早期常用的方法是物理吸附。 这种方法比较简单，但是由于剪切，pH值或温度的变化或介质中离子浓度的降低，吸附的噬菌体可能会再次从底物表面分离。随后，大多数噬菌体颗粒在pH值为7时带有净负电荷，许多研究人员成功地将静电结合用于噬菌体固定法（图2）。该方法的缺点是静电结合力不强，噬菌体会脱离导致分析讯息波动。噬菌体的共价结合提供了更强的附着力，并且不存在噬菌体脱离的风险。
图2 噬菌体静电结合固定法
2. 噬菌体展示技术
科学家可以让特殊基因表达的肽展示在噬菌体表面上。 因此，噬菌体经由表面上表达的肽可以吸附在涂有肽特异性配体的材料表面上（图3）。
图3 噬菌体展示技术
3. 噬菌体包裹在多孔基质中
截留在多孔水凝胶聚合琼脂和藻酸盐基质中固定的噬菌体，可以长时间保持其功能结构及活性的稳定。是选择保护噬菌体颗粒免受恶劣环境条件影响的应用工具。
4. 噬菌体逐层组织
研究人员研发出具有相反电荷的电解质交替分层来固定噬菌体，可以提高噬菌体颗粒表面的覆盖率。
结论
在本文中，我们陈述了噬菌体生物传感器的原理和开发，也比较了与传统病原体检测方法的优劣，并简要介绍了涉及生物传感器开发的不同生物探针。此外，我们列举了用于病原细菌检测的传感器开发中使用的噬菌体成分。最后，我们介绍了将噬菌体固定在适当基质上的不同技术，此外，噬菌体传感器仍需一个有效率的转导平台，才能达到我们侦测病原体细菌的目的。
文献和图片来源：
【1】 Umer Farooq, Qialli Yang, Muhammad Wajid Ullah and Shenqi Wang. Principle and Development of Phage-Based Biosensors. Chapter 11, of Biosensors for Environmental Monitoring, 2019 http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.86419
【2】 Lingwen Zing, Lihua Wan, and Hiao Hu. Current and Emerging Technologies for Rapid Detection of Pathogens. Chapter 2, Biosensing Technologies for the Detection of Pathogens -A Prospective Way for Rapid Analysis. 2018 , http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.73187
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