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(jì)出在激活時(shí)可以發(fā)出熒光的蛋白質(zhì)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，來(lái)自美國(guó)紐約康奈爾大學(xué)（Cornell University）的科學(xué)家們開(kāi)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(dòng)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(kāi)發(fā)，并創(chuàng)造出像人類(lèi)鼻子和舌頭一樣檢測(cè)化學(xué)物質(zhì)的‘感覺(jué)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(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)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(shí)，該生物傳感平臺(tái)即產(chǎn)生光學(xué)響應(yīng)和相應(yīng)的電子讀出。

該傳感平臺(tái)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(gè)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(lái)。

該研究論文第一作者Zachary Manzer說(shuō)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(lái)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(gè)檢測(cè)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(gè)概念驗(yàn)證中，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)無(wú)細(xì)胞的傳感平臺(tái)，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(jì)出在激活時(shí)可以發(fā)出熒光的蛋白質(zhì)，這使得科學(xué)家可以通過(guò)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(guò)程中的變化。利用巧妙的電路設(shè)計(jì)，研究人員還可以通過(guò)記錄電子活動(dòng)來(lái)觀察蛋白質(zhì)的運(yùn)作機(jī)制。

Daniel說(shuō)：“這是第一次成功將跨膜蛋白的無(wú)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(gè)通用平臺(tái)上表達(dá)許多不同種類(lèi)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(lèi)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(tái)。相反，他們可以直接利用DNA，即蛋白質(zhì)的基本模板，來(lái)合成蛋白質(zhì)。

有了這樣的系統(tǒng)，對(duì)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(huì)讓潛在的治療分子穿過(guò)該蛋白質(zhì)，以此來(lái)觀察該蛋白質(zhì)的反應(yīng)?；蛘?，希望制造環(huán)境傳感器的科學(xué)家可以在平臺(tái)上放置一種對(duì)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(shuō)：“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(shí)，離子通道就會(huì)放電?？茖W(xué)家們現(xiàn)在可能會(huì)利用我們聞到某種物質(zhì)時(shí)被激活的蛋白質(zhì)，并將激活的結(jié)果轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)，以感知傳統(tǒng)化學(xué)傳感器無(wú)法檢測(cè)到的信號(hào)?！?/p>

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(lèi)止痛藥以及治療阿爾茨海默病或帕金森病的藥物打開(kāi)了大門(mén)。

審核編輯：劉清