具有透明組件的生物傳感器給予光學(xué)技術(shù)用武之地——例如設(shè)計出在激活時可以發(fā)出熒光的蛋白質(zhì)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，來自美國紐約康奈爾大學(xué)（Cornell University）的科學(xué)家們開發(fā)了一種光電雙讀出的生物傳感器，其可以模擬細(xì)胞膜的生理特性，并提供細(xì)胞活動的相應(yīng)電子讀出。研究人員表示：“這項(xiàng)研究可以幫助人們更好地理解細(xì)胞生物學(xué)，促進(jìn)新藥的開發(fā)，并創(chuàng)造出像人類鼻子和舌頭一樣檢測化學(xué)物質(zhì)的‘感覺器官芯片’。”這一成果近期以“Cell-Free Synthesis Goes Electric: Dual Optical and Electronic Biosensor via Direct Channel Integration into a Supported Membrane Electrode”為題發(fā)表于美國化學(xué)學(xué)會期刊Synthetic Biology。

這項(xiàng)技術(shù)利用合成生物學(xué)重建了細(xì)胞膜及嵌入其中的蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)幾乎參與了所有的細(xì)胞功能，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)被激活時，該生物傳感平臺即產(chǎn)生光學(xué)響應(yīng)和相應(yīng)的電子讀出。

該傳感平臺的光學(xué)響應(yīng)和相應(yīng)的電子讀出

將膜蛋白植入傳感器一直是一個制約環(huán)節(jié)，直到該研究的科學(xué)家們將生物電子傳感器與合成蛋白質(zhì)的新方法結(jié)合了起來。

該研究論文第一作者Zachary Manzer說道：“這項(xiàng)技術(shù)允許我們以一種利用現(xiàn)有技術(shù)幾乎難以實(shí)現(xiàn)的方式來研究蛋白質(zhì)。”Zachary Manzer是康奈爾大學(xué)工程學(xué)院Robert Frederick Smith化學(xué)與生物分子工程系主任、Fred H. Rhodes教授、該論文通訊作者Susan Daniel所負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的一名博士生。

研究人員利用一種導(dǎo)電聚合物構(gòu)建了所需的生物傳感器。這種聚合物很軟，易于使用，可以充當(dāng)一個檢測電路。隨后，將感興趣的蛋白質(zhì)修飾到位于聚合物上方的脂質(zhì)分子層（細(xì)胞膜的組成成分）中。

在這個概念驗(yàn)證中，研究人員創(chuàng)建了一個無細(xì)胞的傳感平臺，可以將合成的模型蛋白直接結(jié)合到這種人造細(xì)胞膜中。此外，該系統(tǒng)具有內(nèi)置的光電雙讀出技術(shù)。

由于傳感器的組件是透明的，使得光學(xué)技術(shù)有了用武之地，例如設(shè)計出在激活時可以發(fā)出熒光的蛋白質(zhì)，這使得科學(xué)家可以通過顯微鏡研究細(xì)胞生物學(xué)基本原理，并觀察蛋白質(zhì)本身在細(xì)胞過程中的變化。利用巧妙的電路設(shè)計，研究人員還可以通過記錄電子活動來觀察蛋白質(zhì)的運(yùn)作機(jī)制。

Daniel說：“這是第一次成功將跨膜蛋白的無細(xì)胞合成應(yīng)用到生物傳感器的構(gòu)建當(dāng)中。我們可以在這個通用平臺上表達(dá)許多不同種類的蛋白質(zhì)。”

目前，研究人員已經(jīng)將從活細(xì)胞中培養(yǎng)和提取的蛋白質(zhì)用于類似的實(shí)踐，但鑒于上述研究進(jìn)展，研究人員不必先在細(xì)胞中培養(yǎng)出蛋白質(zhì)后再將其嵌入膜平臺。相反，他們可以直接利用DNA，即蛋白質(zhì)的基本模板，來合成蛋白質(zhì)。

有了這樣的系統(tǒng)，對與疾病有關(guān)的特定蛋白質(zhì)感興趣的藥物化學(xué)家可能會讓潛在的治療分子穿過該蛋白質(zhì)，以此來觀察該蛋白質(zhì)的反應(yīng)。或者，希望制造環(huán)境傳感器的科學(xué)家可以在平臺上放置一種對化學(xué)物質(zhì)或污染物（比如湖水中的化學(xué)物質(zhì)或污染物）敏感的特定蛋白質(zhì)。

Manzer說：“試想一下你的鼻子或舌頭，每當(dāng)你聞到或嘗到某種東西時，離子通道就會放電。科學(xué)家們現(xiàn)在可能會利用我們聞到某種物質(zhì)時被激活的蛋白質(zhì)，并將激活的結(jié)果轉(zhuǎn)化為電子信號進(jìn)入系統(tǒng)，以感知傳統(tǒng)化學(xué)傳感器無法檢測到的信號。”

這種新型傳感器為藥理學(xué)家研究及制造與細(xì)胞膜蛋白相互作用的藥物，例如非阿片類止痛藥以及治療阿爾茨海默病或帕金森病的藥物打開了大門。

審核編輯：劉清