11、基于噬菌体的快速细菌识别方法：SEPTIC技术解析

基于噬菌体的快速细菌识别方法：SEPTIC技术解析

在临床、农业实践以及国土安全应用中，快速且灵敏地识别细菌是一项至关重要的需求。例如，某些大肠杆菌菌株一旦进入食品供应系统，可能会引发大规模疾病。目前，虽然有一些用于识别细菌或病毒的技术，如培养法和聚合酶链反应（PCR），但这些方法存在培养时间长、仪器昂贵以及难以区分活细菌和死细菌等问题。而一种名为SEPTIC（SEnsing of Phage - Triggered Ion Cascades）的新型传感技术，为细菌的快速、廉价且特异性识别提供了新的解决方案。

1. SEPTIC技术简介

SEPTIC技术结合了噬菌体的特异性和快速响应特性，以及纳米级波动增强传感的高灵敏度。基于纳米孔芯片的SEPTIC原型，已经能够在数秒到数分钟内明确识别活细菌，比其他现有系统快很多倍。该技术通过噪声分析来检测噬菌体感染初始阶段——噬菌体DNA注入细胞时伴随的大量离子通量。

2. 背景知识

噬菌体是生物界中数量最多的生物实体，估计有$10^{31}$个，并且具有难以想象的多样性。以往利用噬菌体特异性来检测和识别致病细菌的尝试，受到培养目标细菌、培养感染样本以及检测子代病毒粒子生产等过程的限制，这些过程至少需要数小时，并且需要了解培养条件。

噬菌体感染的关键步骤是不可逆吸附。对于双链DNA（dsDNA）噬菌体，这是通过特定的吸附装置（通常是尾丝）与宿主细胞表面的特定受体相互作用实现的。对于肌尾噬菌体和长尾噬菌体这两种主要的dsDNA噬菌体形态，DNA注入宿主细胞后会迅速发生，同时伴随着短暂的细胞膜去极化和离子外流，包括细胞质中约0.2M钾盐的很大一部分，每个感染细胞的离子外流速率约为$10^{6}$/秒。这