총 탄 잔류물의 추정 검출을 위한 새로운 세균 바이오 센서의 제조 및 적용
Summary
프로토콜은 총 총 잔류물의 분석을 위한 세균 바이오 센서의 세트를 합성 하 고, 형광 분 광 법을 사용 하 여 그들의 의도 된 사용을 위한 장치의 기능을 테스트 하기 위해 합성 생물학 기술을 사용 하 여 제시 된다.
Abstract
MicRoboCop은 법의학 화학에서 독특한 응용을 위해 설계 된 바이오 센서입니다. MicRoboCop는 3 개의 주요 분석 물 (안티 몬, 납 및 유기 성분 GSR의)의 존재 하에서 형광 신호를 제조 함으로써 함께 사용 될 때, 총 탄 잔류물 (GSR)의 존재를 나타낼 수 있는 세 개의 장치로 구성 된 시스템 이다. 이 프로토콜은 대장균 (대장균)을 사용 하 는 바이오 센서의 합성 및 센서의 선택성 및 민감도를 평가 하는 데 사용 되는 분석 화학 방법을 설명 합니다. 시스템의 기능은 사용 된 카트리지 케이스의 내부에서 수집한 GSR을 통해 입증 됩니다. 일단 준비 되 면, 바이오 센서는 필요할 때까지 보관할 수 있으며 이러한 주요 분석 물에 대 한 테스트로 사용할 수 있습니다. 3 개의 분석 물 모두에서 긍정적 인 반응은 GSR에 대 한 추정 양성 검사를 제공 하는 반면, 각 개별 장치에는 다른 샘플의 분석 물을 검출 하는 응용 프로그램이 있습니다 (예: 식 수의 납 오염 검출기). 시스템의 주요 제한은 양성 신호에 필요한 시간입니다. 미래 작업은 응답 시간을 최적화 하기 위해 다른 유기 체를 연구 하는 것을 수반할 수 있습니다.
Introduction
바이오 센서는 화학 물질 또는 분석 물의 검출에 사용 될 수 있는 반응을 생성 하는 생물학적 성분 (예컨대 단백질, 핵 산 또는 전체 유기 체)을 사용 하는 임의의 분석 장치 이다. 예를 들어 석탄 광산 산업은 20 세기의 대부분을 위해 석탄 광산1의 카나리아 인 독성 광산 가스의 존재를 감지 하는 바이오 센서를 사용 했습니다. 작업자를 보호 하기 위해 화학 물질 분석 물 (일산화 탄소)에 대 한 생물학적 유기 체의 반응 (카나리아의 사망 또는 고통)이 광부에 의해 관찰 되었습니다. 보다 현대적이 고 정교한 예에서, 박테리아는 형광 단백질의 발현과 같은 특이 적 반응을 나타내는 것에 의해 특정 화학적 분석 물질의 존재에 반응 하는 합성 생물학 기술을 사용 하 여 변경 될 수 있다.
합성 생물학은 자연적으로 존재 하지 않는 생물학적 장치 및 시스템의 건설을 지칭 하는 광범위 한 용어이 고, 또는 특정 목적을 위한 기존의 생물학적 시스템의 재설계2이다. 합성 생물학은 장치 및 시스템을 합성 하는 데 사용할 수 있는 표준 방법론 및 표준화 된 부품 (표준 합성 생물학 유전 요소)의 존재에 의해 유전 공학과 구별 된다. 일부 는 장치의게놈에 도입 되 고, 박테리아와 같은 생물체는 기능의 표시 역할을 할 특정 특성을 표현 합니다. 예를 들어, 많은 합성 장치에서, 형광 단백질의 발현은 리포터 단백질로 서 단일 세포 유기 체로 도입 된다. 여러 장치를 하나의 시스템으로 결합할 수 있습니다. 박테리아와 같은 미생물의 게놈은 이러한 방식으로 조작 하기 쉽습니다. 광범위 한 화학 분석 물에 특정 한 바이오 센서의 수많은 예가 지난 10년동안 문헌에서 보고 되었습니다.
이 작업에서, MicRoboCop 시스템은 법의학 및 환경 화학에 새로운 응용 프로그램과 합성 생물학 기술을 사용 하 여 설계 된 바이오 센서의 예로서 제시 된다. MicRoboCop은 결합 될 때, 대장균 이 사람의 손 또는 표면에서 수집 된 총 탄 잔류물 (gsr)의 존재 하에서 적색 형광 단백질 (rfp)을 발현 할 수 있게 하는 3 개의 분리 된 장치 시스템입니다. 3 개의 장치 각각은 GSR5의 구성 요소로 알려져 있는 특정 화학 물질 분석 물에 반응 합니다. 시스템이 응답 하는 3 개의 분석 물은 i. 2, 4, 6-트리니타로 톨루엔 (TNT) 및 관련 화합물 II. (납 이온의 형태로), III. 안티 몬 (이온의 형태로도).
GSR은 많은 다른 화학 물질로 구성 되어 있지만, 세 가지는 일반적으로 GSR은 바 륨, 납 및 안티 몬의5와 같은 잔류물을 식별 하는 데 사용 됩니다. GSR의 식별을 위한 표준 비 치열 시험은 에너지 분산형 X 선 형광을 가진 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용 하는 것입니다. 분석가는 SEM을 통해 GSR의 고유한 형태와 원소 성분을 확인할 수 있습니다. 현재, 사용할 수 있는 몇 가지 널리 사용 되는 바이너리 추정 테스트. 최근에 출판 된 추정 테스트는 많은 실험실에서 사용 하지 못할 수 있는 특수 장비 인 이온 이동성 분광학 (IMS)을 사용 합니다. 그들은 일반적으로 거리 결정 또는 총알 구멍과 상처에 GSR 식별을 위해 사용 되지만, 사용할 수 있는 몇 가지 색상 “스팟” 테스트도 있습니다5. 또한, 잠재적으로 현장 휴대용, 또는 양극 스트리핑 voltammetric의 장점을가지고 있는 voltammetric 분석을 사용 하는 GSR에 대 한 전기 화학 시험 문헌에 몇 가지 제한 된 주의가 있었다,이는 매우 금속 원소에 대 한 민감한 방법7. GSR을 검출 하기 위한 목적으로 특별히 설계 된 바이오 센서 문헌에는 거의 언급 되어 있지 않지만, 다른 포렌식 어플리케이션을 위한 바이오 센서는8 개출판 되었습니다.
마이크로 보 캅 시스템에서 각 장치에 대 한 생물학적 원소 및 플라스 미드 시공이 도 1에 도시 되어 있다. 도 1b 의 곡선 화살표는 분석 물의 존재 하에서 활성화 되는 프로모터 영역을 나타내며, 상기 타원형은 리포터 단백질의 번역을 허용 하는 리보솜 결합 부위 이며, 회색 상자는 rfp 라는 표지는 적색을 표현 하는 유전자 형광 단백질, 및 적색 팔각형은 전사 종결 부위 이다. 세 장치 모두 GSR을 감지 하는 시스템으로 함께 사용 됩니다. 특정 프로모터 (SbRFP, PbRFP 및 TNT RFP)를 가진 각 장치는 시험 되는 샘플과 함께 인큐베이션 되 고 RFP의 형광이 측정 될 것 이다. RFP는 적절 한 화학적 분석 물질이 존재 하 고 프로모터 영역을 활성화 하는 경우에만 발현 될 것 이다. GSR에 존재 하는 일부 화학 물질에 반응 하는 세 가지 장치가 설계 되어이 작품에 제시 된다.
3 개의 microbocop 장치에서 사용 되는 프로모터는 비소 및 안티 몬 계 민감한 프로모터, sbrfp9,10, 리드 민감성 프로모터, pbrfp11,12 및 TNT 민감성 프로모터, TNT-RFP 13. 문헌에서의 검색은 바 륨에 반응 하도록 설계 된 프로모터를 밝혀 내지 않았기 때문에,이 프로모터는 다 수의 구조적으로 관련 된 화합물 (특히, 2, 4-딘 트로 톨루엔 및 dinitrobenzene)는 GSR에 남겨진 유기 화합물의 일부가 되는 것으로 알려져 있다. 이 프로모터는 매 립 지 지뢰13에서 TNT와 2, 4 딘 트로 톨루엔 (2, 4 DNT)의 분 량을 구체적으로 감지 하는 데 성공적으로 사용 되었습니다. 세 가지 장치를 시스템으로 함께 사용 하 여 GSR에 대 한 긍정적 인 테스트는 세 장치 모두에서 형광을 생성 합니다. 1 개 또는 2 개의 장치 에서만 형광 신호는 GSR에 남아 있는 유기 화합물이 아닌 화합물에 의해 활성화 된 분석 물 (들) 또는 TNT 프로모터의 경우에 다른 환경적 공급원을 나타낼 것 이다. 세 대의 장치를 모두 사용 함으로써, 환경 오염 원으로 인 한 거짓 양성 결과의 가능성을 최소화할 수 있습니다. 인기를 얻고 있는 무연 탄약은 여전히 미국에서 탄약 판매의 약 5%만을 나타냅니다. 따라서 납의 부재로 인 한 거짓 부정 결과는 가능성이 있지만 GSR14의 마커로 납을 사용 하는 센서에는 여전히 유틸리티가 있습니다. 이 특정 법의학 응용 프로그램 외에도 각 장치는 환경 오염 물질을 감지 하기 위해 개별적으로 사용할 수 있습니다.
제시 된 프로토콜은 장치의 기능을 확인 하 고 얻어진 형광 신호를 분석 하기 위해 장치 (센서 박테리아) 및 분석 기법을 만드는 데 사용 되는 합성 생물학 기술을 포함 한다. 프로토콜은 또한 표면에서 GSR을 수집 하는 용의자 또는 swabbing의 손에서 GSR을 수집 하는 손 닦는 형태의 법의학 증거의 수집을 포함 한다. 리드 센서 장치의 결과는 사용 된 카트리지 케이스를 사용한 GSR에 대 한 포지티브 테스트의 데모와 함께 예제 결과로 제시 됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
수정 및 문제 해결
표 4 에 기재 된 실험은 설계 된 센서에 적합 한 임의의 방식으로 변형 될 수 있다. 화학 센서의 가장 중요 한 측면은 민감도와 특이성을 평가 하는 것입니다. 센서의 유용한 분석 범위를 결정 하기 위해 분석 물의 광범위 한 농도가 분석 되도록 하는 것이 유리 합니다. 또한 세포에 대 한 분석 물의 최대 수준을 결정할 가치가 있습니?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 BIOL 324 (유전학)의 롱 우드 대학에서 학생 들과 화학 403 안티 몬 및 리드 바이오 센서의 초기 준비 및 테스트에 관여 한 (고급 화학 실험실 문제 해결) 학생 들을 인정 하고자 합니다. MicRoboCop에 대 한 아이디어는 GCAT SynBIO 워크샵 (여름 2014)에서 잉태 되었으며,이는 NSF와 하 워드 휴즈 메디컬 인스티튜트가 자금을 지원 하며 메릴랜드 대학교에서 주최 합니다. 저자는 또한 롱 우드 대학의 요리사-콜 예술과 과학의 대학과 GCAT SynBio 동창 보조금에서 받은 자금을 인정 합니다.
Materials
| 1,3-dinitrobenzene, 97% | Aldrich | D194255-25G | |
| 2,4-dinitrotoluene, 97% | Aldrich | 101397-5G | |
| Agar | Fisher Scientific | BP1423-500 | |
| Ampicillin | Fisher Scientific | BP1760-5 | |
| Antimony, Reference Standard Solution (1000ppm ±1%/Certified) | Fisher Scientific | SA450-100 | Standard in dilute HNO3 |
| Cut Smart Buffer | New England BioLabs | B7204S | |
| Duplex Buffer | Integrated DNA Technologies | 11-01-03-00 | |
| EcoRI-HF Restriction Enzyme | New England BioLabs | R3101S | |
| Ethanol, HPLC grade, denatured | Acros Organics | AC611050040 | Solvents do not need to be HPLC grade, ACS or reagent grade will work. |
| Eurofins Genomics SimpleSeq DNA Sequencing Kits | Eurofins Genomics | SimpleSeq Kit Standard | |
| Forward primer for colony PCR | Integrated DNA Technologies | 5’- GCCGCTTGAATTCGTCATATAT-3’ | |
| Forward primer for DNA sequencing | Integrated DNA Technologies | 5’- GTAAAACGACGGCCAGTG-3’ | |
| IBI Science High Speed Plasmid Mini-kit | IBI Scientific | IB47101 | |
| LB Broth, Miller | Fisher Scientific | BP1426-500 | |
| Lead, Reference Standard Solution (1000ppm ±1%/Certified) | Fisher Scientific | SL21-100 | Standard in dilute HNO3 |
| LeadOff Disposable Cleaning and Decon Wipes | Hygenall | 45NRCN | Sold in canisters or individually wrapped, any alcohol based wipe will work. |
| Methanol, HPLC grade | Fisher Scientific | A452-4 | Solvents do not need to be HPLC grade, ACS or reagent grade will work. |
| NEB 5-alpha Competent E. coli cells | New England BioLabs | C2987I | |
| NheI-HF Restriction Enzyme | New England BioLabs | R3131S | |
| Nuclease free water | New England BioLabs | B1500S | |
| OneTaq 2X Master Mix with Standard Buffer | New England BioLabs | M0482S | |
| Plasmids from the registry of standard biological parts used for synthetic biology | Registry of Standard Biological Parts | http://parts.igem.org/Main_Page | |
| Promoter Sequences | Integrated DNA Technologies | Sb promoter: 5’-GCATGAATTCAGTCAT ATATGTTTTTGACTTATCCGCTTCGAAGAGAG AGACACTACCTGCAACAATCGCTAGCGCAT-3’ 3’-CGTACTTAAGCTCACTATATACAAAAACT GAATAGGCGAAGCTTCTCTCTCTGTGATGGAC GTTGTTAGCGATCGCGTA-5’ Pb promoter: 5’-GCATGAATTCGTCTTG ACTCTATAGTAACTAAGGGTGTATAATCGGCA ACGCGAGCTAGCGCAT-3’ 3’-CGTACTTAAGCAGAACTGAGATATCATTG ATCTCCCACATCTTAGCCGTTGCGCTGCGATCGCGTA-5’ TNT promoter: 5’GCATTCTAGATCAATT TATTTGAACAAGGCGGTCAATTCTCTTCGATT TTATCTCTCGTAAAAAAACGTGATACTCATCA CATCGACGAAACAACGTCACTTATACAAAAAT CACCTGCGAGAGATTAATTGAATTCGCAT3’ 3’CGTAAGATCTAGTTAAATAAACTTGTTCCG CCAGTTAAGAGAAGCTAAAATAGAGAGCATTT TTTTGCACTATGAGTAGTGTAGCTGCTTTGTT GCAGTGAATATGTTTTTAGTGGACGCTCTCTA ATTAACTTAAGCGTA5’ |
|
| Reverse primer for colony PCR | Integrated DNA Technologies | 5’- GCCGCTTGAATTCGTCTAGACT- 3’ | |
| Reverse primer for DNA sequencing | Integrated DNA Technologies | 5’- GGAAACAGCTATGACCATG-3’ | |
| T4 DNA Ligase | New England BioLabs | M0202S |
References
- Eschner, K. "The Story of the Real Canary in the Coal Mine.". The Smithsonian Magazine. , (2016).
- Roda, A., et al. Progress in chemical luminescence-based biosensors: A critical review. Biosensors & Bioelectronics. 76, 164-179 (2016).
- He, W., Yuan, S., Zhong, W. H., Siddikee, M. A., Dai, C. C. Application of genetically engineered microbial whole-cell biosensors for combined chemosensing. Applied Microbiology and Biotechnology. 100 (3), 1109-1119 (2016).
- Dalby, O., Butler, D., Birkett, J. W. Analysis of Gunshot Residue and Associated Materials-A Review. Journal of Forensic Sciences. 55 (4), 924-943 (2010).
- Bell, S., Seitzinger, L. From binary presumptive assays to probabilistic assessments: Differentiation of shooters from non-shooters using IMS, OGSR, neural networks, and likelihood ratios. Forensic Science International. 263, 176-185 (2016).
- O'Mahony, A. M., Wang, J. Electrochemical Detection of Gunshot Residue for Forensic Analysis: A Review. Electroanalysis. 25 (6), 1341-1358 (2013).
- Vigneshvar, S., Sudhakumari, C. C., Senthilkumaran, B., Prakash, H. Recent Advances in Biosensor Technology for Potential Applications – An Overview. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 4, 9 (2016).
- Fernandez, M., Morel, B., Ramos, J. L., Krell, T. Paralogous Regulators ArsR1 and ArsR2 of Pseudomonas putida KT2440 as a Basis for Arsenic Biosensor Development. Applied and Environmental Microbiology. 82 (14), 4133-4144 (2016).
- Porter, S. E. G., Barber, A. E., Colella, O. K., Roach, T. D. Using Biological Organisms as Chemical Sensors: The MicRoboCop Project. Journal of Chemical Education. 95 (8), 1392-1397 (2018).
- Borremans, B., Hobman, J. L., Provoost, A., Brown, N. L., Van der Lelie, D. Cloning and functional analysis of the pbr lead resistance determinant of Ralstonia metallidurans CH34. Journal of Bacteriology. 183 (19), 5651-5658 (2001).
- Hobman, J. L., Julian, D. J., Brown, N. L. Cysteine coordination of Pb(II) is involved in the PbrR-dependent activation of the lead-resistance promoter, PpbrA, from Cupriavidus metallidurans CH34. Bmc Microbiology. 12, (2012).
- Yagur-Kroll, S., Amiel, E., Rosen, R., Belkin, S. Detection of 2,4-dinitrotoluene and 2,4,6-trinitrotoluene by an Escherichia coli bioreporter: performance enhancement by directed evolution. Applied Microbiology and Biotechnology. 99 (17), 7177-7188 (2015).
- Gorman, M. "Guns in America: The Debate Over Lead Based Bullets.". Newsweek. , (2017).
- Yuksel, B., Ozler-Yigiter, A., Bora, T., Sen, N., Kayaalti, Z. GFAAS Determination of Antimony, Barium, and Lead Levels in Gunshot Residue Swabs: An Application in Forensic Chemistry. Atomic Spectroscopy. 37 (4), 164-169 (2016).
- Blakey, L. S., Sharples, G. P., Chana, K., Birkett, J. W. Fate and Behavior of Gunshot Residue-A Review. Journal of Forensic Sciences. 63 (1), 9-19 (2018).
- Yagur-Kroll, S., et al. Escherichia coli bioreporters for the detection of 2,4-dinitrotoluene and 2,4,6-trinitrotoluene. Applied Microbiology and Biotechnology. 98 (2), 885-895 (2014).
