Cascaded amplifying circuits enable ultrasensitive cellular sensors for toxic metals

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作者
Xinyi Wan,Francesca Volpetti,Ekaterina Petrova,Chris French,Sebastian J. Maerkl,Baojun Wang
出处
期刊:Nature Chemical Biology [Springer Nature]
卷期号:15 (5): 540-548 被引量:275
标识
DOI:10.1038/s41589-019-0244-3
摘要

Cell-based biosensors have great potential to detect various toxic and pathogenic contaminants in aqueous environments. However, frequently they cannot meet practical requirements due to insufficient sensing performance. To address this issue, we investigated a modular, cascaded signal amplifying methodology. We first tuned intracellular sensory receptor densities to increase sensitivity, and then engineered multi-layered transcriptional amplifiers to sequentially boost output expression level. We demonstrated these strategies by engineering ultrasensitive bacterial sensors for arsenic and mercury, and improved detection limit and output up to 5,000-fold and 750-fold, respectively. Coupled by leakage regulation approaches, we developed an encapsulated microbial sensor cell array for low-cost, portable and precise field monitoring, where the analyte can be readily quantified via displaying an easy-to-interpret volume bar-like pattern. The ultrasensitive signal amplifying methodology along with the background regulation and the sensing platform will be widely applicable to many other cell-based sensors, paving the way for their real-world applications. An engineered biosensor, which optimizes metal-sensing and couples it to transcriptional amplification cascades that produce a fluorescent protein, was applied to build a sensitive and easy-to-use sensor for the toxic metals As3+ and Hg2+.
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