基于单个活体酵母菌生物传感的大气颗粒物毒性在线监测理论技术体系的研究

Ambient particulate matter (PM) causes millions of death every year throughout the world, however currently its toxicity study method is often offline, which lacks of time efficiency and low sensitivity. In addition, the components of the air samples would lose change after certain duration of storage, which prevents its accurate toxicity estimate. Accordingly, an online detection of method is greatly needed for particulate matter toxicity. In recent years, live yeast as a sensor for environmental stress is catching increased attention, and it works through mediating the specific protein expression in response to a particular stimuli. This project was designed to integrate air sampling, microfludics, and singe live yeast sensor for in situ detection of PM toxicity. Here, a robust detection system is to be developed through selecting highly responsive protein with high sensitivity as well taking account into those influencing factors. By using the system developed, we can test the toxicity of PM from different sources, which further yields information for the sensitivity and response time. In the meantime, the effects of biological components on its toxicity will be also analyzed. Through this work, an innovative method is to be established for future ambient PM toxicity studies, which can further advance the field of air pollution and health effects.

大气颗粒物污染每年造成几百万人的死亡，然而目前其毒性的研究大多是离线的，时效性差、灵敏度低；此外，空气样品组分随时间会发生变化，从而影响其毒性的正确评估。大气颗粒物毒性的监测需要一种实时、原位的理论技术体系。近年来，酵母菌作为一种活体传感器越来越受到关注，其主要是通过表达酵母菌特定蛋白来完成对外界环境刺激的响应。本项目主要研究一种通过集成大气颗粒物采样，微流控技术以及单活体酵母菌传感器来实现对大气颗粒物毒性的实时、原位监测的原理方法；通过对酵母菌蛋白的筛选及影响因素的研究，建立稳定的颗粒物毒性在线检测体系；通过利用该技术体系对不同来源颗粒物的毒性进行检测，获得该体系的灵敏度及响应时间指标，同时探讨生物成分对颗粒物毒性的影响。研究成果将为大气颗粒物生物毒性的测定提供革新性原理方法，进一步推动空气污染健康效应研究。

空气污染特别是PM2.5成为当今人类面临的重要的环境问题之一。本项目围绕大气颗粒物毒性， 首先利用汽车空调过滤膜采集了全球13个国家19座城市大气中足够量的颗粒物（PM），分析发现全球大气正在不同程度被耐药基因污染，且部分地区呈现逐年增长的趋势。该研究揭示了耐药基因通过空气传播的危险，为全面有效控制耐药菌传播感染提供了重要参考。 研究成果入选ACS Editors’ Choice，并且被ES&T选为封面文章发表，被ACS通过“Embargoed Press Release”形式报道。研究也发现，不同粒径颗粒物的毒性与内毒素分布也存在显著差别。其次，课题组利用空气采样、微流控、荧光蛋白标记的酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）以及单酵母菌蛋白荧光自动检测平台创建了大气PM2.5毒性实时在线监测系统- SLEPTor-“沉睡者”，能够对PM2.5多方面的毒性进行实时监测，可通过同时监测不同标记荧光蛋白的表达来展现酵母菌整个生命体系从不同层面对颗粒物的实时响应，这为颗粒物对人体的健康效应机制的研究提供了类似于实时监测不同地区车辆行驶状况的开创性的研究思路和方法，从而有助于避免理解PM2.5毒性“盲人摸象”的弊端。SLEPTor系统获国家发明专利一项，并实现转化（20万人民币），目前已有样机一台。此外，课题组合作集成利用活体大鼠暴露呼出气采样，微流控以及商业化硅纳米线生物传感器创建了dLABer系统，实现实时监测活体呼出气中的污染物暴露生物标记物，可直接用于无创在线研究空气污染所导致的健康效应， 研究成果发表在Nano Letters上。通过dLABer对呼出气中生物标记物的实时监测，不仅帮助我们更直接了解大气污染物对呼吸系统（呼吸道和肺）的损伤作用，也为了解与呼吸系统有关的病理生理过程提供有力的依据。最后，通过大鼠静脉注射的研究发现，不同来源单位质量的大气颗粒物毒性存在显著差别，大鼠通过调控microRNA如miR-125b和miR-155来抵御颗粒物暴露的损伤。该项目共发表SCI论文8篇，1篇《科学通报》文章，申请专利6项，获批3项，研究成果被美国化学协会、新华社、美国AAAS等作为研究亮点报道。毕业博士生三名，硕士生两名，牵头组织第600次香山科学会议。项目负责人获2015年中国气溶胶技术创新奖与2017年度国家杰出青年科学基金资助。