全自动生长曲线分析仪

Application of the Luminescent luxCDABE Gene for the Rapid Screening of Antibacterial Substances Targeting Pseudomonas aeruginosa

发光基因 luxCDABE 在靶向铜绿假单胞菌抗菌物质快速筛选中的应用

来源：Microorganisms (MDPI) 2026 年 3 月 5 日/Foods 2023, 12(2), 392

1.论文摘要

铜绿假单胞菌是典型革兰氏阴性菌，易造成食品腐败与临床条件性感染。本研究利用luxCDABE 发光报告基因构建了全细胞生物传感器 PAO1‑CE，用于快速筛选抑制铜绿假单胞菌的抗菌物质。以 5 类共 6 种抗生素为模型，建立发光抑制与药物浓度的定量数学模型，拟合相关系数 R²>0.98，方法可靠；所测各抗生素 EC₅₀均低于传统方法测得的 1/2 MIC，灵敏度更高。6 种抗生素均对铜绿假单胞菌的细胞膜与细胞壁造成不同程度损伤，导致胞内物质外泄、AKP 活性上升、ATP 含量显著下降。该方法大幅缩短检测时长，支持高通量筛选，为靶向铜绿假单胞菌的新型抗菌化合物发现提供高效技术方案。

2. 关键词及中文翻译

发光基因 luxCDABE，铜绿假单胞菌，抑菌物质，快速筛选

3. 研究目的

构建基于luxCDABE的铜绿假单胞菌发光生物传感器，实现抗菌物质快速、定量、高通量筛选。

解决传统 MIC 法耗时长、通量低、无法大规模筛选的痛点。

明确抗生素对铜绿假单胞菌的抑菌机制，为食品防腐与临床抗感染提供方法与数据支撑。

4. 研究思路

构建含pBBR1MCS‑5‑luxCDABE质粒的重组菌株 PAO1‑CE。

以 6 种典型抗生素为对象，测定发光抑制率 IR%，建立浓度‑效应数学模型并计算 EC₅₀。

用传统方法验证：MIC、生长曲线、胞内 ATP、细胞壁通透性 AKP、细胞膜完整性 A₂₆₀、电镜形态。

对比发光法与传统法，验证灵敏度、可靠性与机制关联。

5. 研究亮点

首次将luxCDABE 全细胞发光传感器用于铜绿假单胞菌抗菌物质定量快速筛选，拟合度高（R²>0.98）。

检测速度显著快于传统 MIC，EC₅₀远低于 1/2 MIC，灵敏度更高。

一次实验同时获得毒性定量 + 抑菌机制，多维度验证。

适配高通量，可用于食品、医药领域大规模抗菌化合物筛选。

6. 可延伸研究方向

拓展到天然产物、植物精油、噬菌体、纳米材料的快速抗菌筛选。

用于耐药菌、临床菌株、食品腐败菌的毒力与药物敏感性评估。

结合生物膜、群体感应系统，建立抗生物膜药物筛选模型。

与组学技术联用，解析药物作用靶点与代谢通路。

开发食品中铜绿假单胞菌现场快速检测试剂盒。

7. 测量数据、图表位置及研究意义

发光抑制率（IR%）与 EC₅₀

来源：图 2、表 1

意义：建立药物浓度‑发光抑制关系，实现快速定量评价毒性，是本研究核心检测指标。

最低抑菌浓度（MIC）

来源：传统抑菌实验结果

意义：确定抗生素对 PAO1‑CE 的有效抑菌浓度，用于与发光法对比验证。

生长曲线与动力学参数（λ、μmax、ODmax）

来源：图 3、表 2

意义：定量描述不同浓度抗生素对生长迟缓期、最大生长速率、最大生物量的抑制作用，反映增殖抑制强度。

胞内 ATP 含量

来源：图 4A

意义：反映细胞能量代谢水平，直接关联 luxCDABE 发光强度，解释发光抑制的分子基础。

碱性磷酸酶（AKP）活性

来源：图 4B

意义：评价细胞壁通透性，AKP 外排增加表明细胞壁受损。

260 nm 吸光度（胞内物质外泄）

来源：图 5

意义：指示细胞膜完整性破坏，核酸 / 蛋白质外泄。

扫描电镜形态（FESEM）

来源：图 6

意义：直观观察细菌表面皱缩、塌陷、结构破坏，可视化验证抑菌机制。

8. 研究结论

成功构建luxCDABE 发光生物传感器 PAO1‑CE，可快速、灵敏筛选靶向铜绿假单胞菌的抗菌物质。

6 种抗生素的毒性强弱为：环丙沙星 Cip > 链霉素 Str > 羧苄西林 Car > 土霉素 Ter > 氨苄西林 Amp > 甲氧苄啶 Tmp。

抗生素通过破坏细胞壁、损伤细胞膜、降低能量代谢实现抑菌，与发光信号高度相关。

该方法检测更快、灵敏度更高、通量更大，可大幅提升抗菌化合物开发效率。

9. 芬兰 Bioscreen C 生长曲线数据的研究意义（详细解读）

提供高精度、全自动、无干扰的生长动力学数据

Bioscreen C 全自动连续监测 OD₆₀₀，无需人工取样，避免污染与操作误差，获得完整、平滑、重复性高的生长曲线，准确区分迟缓期、对数期、稳定期，是传统手工法无法实现的。

定量评价不同浓度抗生素的抑菌效应

基于生长曲线计算λ（迟缓期）、μmax（最大生长速率）、ODmax（最大生物量）（表 2），可精准判断抗生素是抑制生长速率、延长适应时间，还是彻底杀死细菌，实现抑菌效果的定量化、精细化评估。

作为发光筛选结果的 “金标准” 验证

生长曲线数据直接反映活菌增殖，与发光抑制率、EC₅₀、MIC相互印证，证明发光信号变化真实反映细菌存活状态，确保筛选方法可靠。

支持 Gompertz 模型拟合，提升科学价值Bioscreen 输出的高密度时间序列数据，可完美拟合修正 Gompertz 模型，获得动力学参数，用于比较不同抗生素、不同浓度的抑菌强度与作用模式，提升研究的定量水平与说服力。

高通量平行测定，保证条件一致

仪器支持多通道、多浓度、多重复同时培养，温度、振荡、检测时间完全统一，消除组间误差，使不同抗生素之间的抑菌效果具有严格可比性，适合抗菌物质高通量筛选。

为机制解释提供关键依据

生长曲线与 ATP、AKP、细胞膜损伤数据联动，揭示抗生素先抑制生长→再破坏结构→最终导致死亡的时序过程，为阐明抑菌机制提供关键时间维度证据。