A Whole-Cell Bacterial Biosensor for Blood Markers Detection in Urine

生物传感器 发光光杆线虫 生物搬运器 生物 溶解 尿 全血 荧光素酶 大肠杆菌 报告基因 分子生物学 基因 生物化学 转染 免疫学 基因表达
作者
Natalia Barger,Ilan Oren,Ximing Li,Mouna Habib,Ramez Daniel
出处
期刊:ACS Synthetic Biology [American Chemical Society]
卷期号:10 (5): 1132-1142 被引量:24
标识
DOI:10.1021/acssynbio.0c00640
摘要

The early detection of blood in urine (hematuria) can play a crucial role in the treatment of serious diseases (e.g., infections, kidney disease, schistosomiasis, and cancer). Therefore, the development of low-cost portable biosensors for blood detection in urine has become necessary. Here, we designed an ultrasensitive whole-cell bacterial biosensor interfaced with an optoelectronic measurement module for heme detection in urine. Heme is a red blood cells (RBCs) component that is liberated from lysed cells. The bacterial biosensor includes Escherichia coli cells carrying a heme-sensitive synthetic promoter integrated with a luciferase reporter (luxCDABE) from Photorhabdus luminescens. To improve the bacterial biosensor performance, we re-engineered the genetic structure of luxCDABE operon by splitting it into two parts (luxCDE and luxAB). The luxCDE genes were regulated by the heme-sensitive promoter, and the luxAB genes were regulated by either constitutive or inducible promoters. We examined the genetic circuit's performance in synthetic urine diluent supplied with heme and in human urine supplied with lysed blood. Finally, we interfaced the bacterial biosensor with a light detection setup based on a commercial optical measurement single-photon avalanche photodiode (SPAD). The whole-cell biosensor was tested in human urine with lysed blood, demonstrating a low-cost, portable, and easy-to-use hematuria detection with an ON-to-OFF ratio of 6.5-fold for blood levels from 5 × 104 to 5 × 105 RBC per mL of human urine.
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