Detection of Chlorotoluene and Nitrotoluene Compounds by Recombinant Microbial Biosensors

Aromatic hydrocarbons are toxic environmental pollutants that are detrimental to the ecosystem and human health. Among them, chlorotoluene and nitrotoluene are toxic to hydrobios and irritate the skin, eyes, and respiratory organs of humans. We herein report the development of recombinant microbial biosensors for cheap and rapid monitoring of chlorotoluene and nitrotoluene compounds. Plasmids were constructed by inserting the xylR regulatory gene for BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene) degradation into upstream of Po' (the DmpR activator promoter Po with the deletion of its own upstream activating sequences) or Pu (the cognate promoter of XylR)::lacZ (the ${\beta}$-galactosidase gene) and transformed into Escherichia coli $DH5{\alpha}$. In the presence of inducers, the biosensor cells immobilized in agarose developed a red color in 1-2 h due to the hydrolysis of chlorophenol red ${\beta}$-D-galactopyranoside (CPRG), a substrate of ${\beta}$-galactosidase that was expressed by the inducers. Among BTEX, high responses were specifically observed with o-, m-, p-chlorotoluene ($0.1{\mu}M-100 mM$) and o-, m-, p-nitrotoluene (0.1 mM-100 mM). Po' demonstrated higher responses than those with Pu. The biosensors immobilized in agarose showed good stability after 21 days' storage at $4^{\circ}C$, and responses in untreated wastewater spiked with chlorotoluene and nitrotoluene, suggesting they can be used to detect compounds in wastewater.

재조합 미생물 바이오센서를 이용한 chlorotoluene과 nitrotoluene 화합물의 검출

방향족 화합물은 독성 환경오염물질로 생태계와 인간의 건강에 해로운 영향을 미친다. 그중 chlorotoluene과 nitrotoluene 화합물은 수생생물에 독성을 나타내며 인간의 피부, 눈, 호흡기를 자극한다. 본 연구에서는 폐수의 chlorotoluene과 nitrotoluene 화합물을 저렴하고 간단하게 검출하고자 재조합 미생물 바이오센서를 개발하였다. BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, xylene) 분해 조절 유전자 xylR를 Po' (upstream activating sequences를 제거한 DmpR 조절단백질 promoter Po) 또는 Pu (XylR 고유의 프로모터)::lacZ 유전자(${\beta}$-galactosidase 유전자)의 upstream에 연결한 플라스미드를 제작한 후, E. coli $DH5{\alpha}$에 형질 전환하였다. 유도 화합물 존재 하에서, 아가로스에 고정된 이 재조합 바이오센서 세포는 유도 화합물에 의해 ${\beta}$-galactosidase를 발현하고 기질인 chlorophenol red ${\beta}$-D-galactopyranoside (CPRG)를 분해하여 1~2시간에 붉은색을 나타내었다. BTEX 화합물 중, 특이적으로 o-, m-, p-chlorotoluene ($0.1{\mu}M-100 mM$) 그리고 o-, m-, p-nitrotoluene (0.1 mM-100 mM)에서 높은 반응을 나타내었으며 Po'가 Pu보다 높은 반응성을 보여주었다. 아가로스에 고정된 바이오센서는 $4^{\circ}C$에서 21일간 보존 후에도 활성의 큰 변화 없이 안정하였으며, chlorotoluene과 nitrotoluene 화합물들로 spike된 전처리 하지 않은 폐수 시료 중에서도 좋은 반응을 보여 주어 폐수 중 chlorotoluene과 nitrotoluene 화합물의 간단한 초기 검출에 활용될 수 있음을 제시하였다.