合成技术新突破！《ACS合成生物学》：创新合成生物传感器或可创建芯片上的“感觉器官

微流控芯片

未来使用无细胞系统作为抗体等

高价值成分的制造平台具有巨大前景！

——Paul Freemont

英国伦敦帝国理工学院的合成生物学家

在我们的细胞组成中，膜蛋白是一种重要的稳态调节因子，参与信息和物质跨细胞膜的运输。如果将这一功能运用到各种材料设备上，就可以实现各种生物功能的平台化，例如穿戴传感器、药物筛选等。因此，为了利用膜的某些特定的功能，就需要将膜以某种固定的模式与非生物材料连接，如共轭聚合物就是一种标准的生物电子接口材料。

但更具挑战性的一类生物分子与生物电子平台的接口是跨膜蛋白，它的难点在于需要在脂双层膜这种特定的环境中维持其结构和功能，因此，在电子界面上重新创建适当的膜环境，以保持跨膜蛋白的活性，一直是该领域的一个挑战。

最近美国康奈尔大学工程学院在ACS Synthetic Biology发表了一篇题为“Cell-Free Synthesis Goes Electric: Dual Optical and Electronic Biosensor via Direct Channel Integration into a Supported Membrane Electrode”的研究，研究者开发出了一种能模拟细胞膜的特性并提供电子读数的合成生物传感器，有助于更好地了解细胞生物学、开发新药以及在微流控芯片上创建“感觉器官”。

该研究使用合成生物学方法重建细胞膜及其嵌入的蛋白质，创造了一种生物传感器。支撑性脂质双层膜（SLB）可以与各种表面分析技术兼容，装配在导电聚合物表面可以实现跨膜蛋白活性与电子界面的耦合。无细胞蛋白合成体系(CFPS)可以对蛋白质合成和反应环境进行设计，但保留了原生细胞机制，可以让蛋白质在产生时直接插入双分子层。因此，如果在蛋白质合成时，将合成膜补充到CFPS体系中，则可以一步将跨膜蛋白组装到合成膜上，避免跨膜蛋白表达方面的一些困难，最大限度的减少了将跨膜蛋白组装到SLB上所需的步骤。

根据这一原理，研究人员在电极上使用传感器的组件（PEDOT:PSS）薄膜组装离子通道蛋白，并通过嵌入的离子通道测量穿过支撑膜的离子通量。因此，导电聚合物能够实现电气读数，由于传感器的组件是透明的，可以用荧光显微镜实现光学测量，使其成为双模态传感器(如下图)，观察蛋白质本身在细胞过程中会发生什么，还记录电子活动，通过巧妙的电路设计来观察蛋白质是如何运作的。

首先，在该传感器的组装过程中，为了最大化跨膜离子通道生物传感平台的灵敏度，需要在低阻抗的电极表面上成功形成SLB。PEDOT:PSS是一种生物相容的导电聚合物，是一种低阻抗的电极表面。然而PEDOT:PSS在没有阳离子电解质涂层的情况下，其作为阴离子脂质体并不能破裂并自组装成SLB。所以首先要先在PEDOT:PSS表面进行阳离子电解质涂层，进而SLB在上面组装，然后使用一个研究充分的细菌跨膜蛋白(MscL)通过无细胞蛋白质合成反应，绕过纯化和重建，将可移动膜蛋白掺入这些装置中的SLB。

进一步通过测量蛋白质的两个品质因数:取向和迁移率，证实合成蛋白的状态以及可移动SLB的存在。一旦器件形成，MscL在双层中的方向和移动性得到确认，通过电学方法可以评估它的离子流活性。在该研究中，通过标记某些氨基酸测量蛋白质的取向和迁移，随着反应进行时出现的荧光来观察蛋白质的合成，进一步将氨基酸切除并观察荧光损失情况来评估蛋白质的取向。研究发现标记蛋白MscL主要以同一个方向共翻译合成到SLB中。在确定组合蛋白质的方向后，使用单颗粒追踪分析来评估这些液体SLB中的蛋白质流动性，其图像和移动粒子的轨迹如下图所示，发现大约40%的蛋白质具有移动性。

在确认了目标蛋白的插入、取向和迁移率之后，使用电化学阻抗谱从功能上表征生物传感器的性能。通过使用一种MscL蛋白的突变体来评估蛋白反应的特异性，这种突变体会对化学刺激产生反应，而野生型的则不会。将MscL单独组装带电极上，而突变型MscL转化为SLB进行组装，两种情况的阻抗谱没有很大的差异，都向更高的电阻值移动。而将他们通过CFPS组装SLB后，暴露于化学激活剂中发现，野生型基本没有反应，突变型则触发突变体的通道开放，从而降低电阻，表明蛋白质被激活，并且通道具有功能特异性。

研究人员称，这是利用跨膜蛋白的无细胞合成生物传感器的首次演示 。他们将不必在细胞中生长蛋白质，然后再将它们嵌入膜平台。相反，他们可直接从DNA进行合成。这种无障碍的制造方式将进一步扩大生物传感平台的采用和创新。  通过该配置可以为任何电气配置提供定制的电路设计，并且使囊泡融合技术非常易于使用。该技术还可以应用于广泛的跨膜蛋白，创造出一种强大的传感器，能够检测范围广泛的不同分子，进而应用于医疗、制造、制药和研究等领域。

这种生物传感器只是合成生物学庞大领域的一个分支，合成物学作为一门新兴交叉的前沿科学，在生命科学、能源科技、医疗健康、材料化工和农业科技等领域具有广阔的应用前景。目前，合成生物学已被广泛应用于各种产业，在推动科学革命的同时，合成生物技术正快速向实用化、产业化方向发展。

合成生物学领域的这些研究成果也使人们相信，合成生物学的研究正在或已经进入一个爆炸性发展时期。它的发展将会像20世纪电子工程的发展一样给人类社会带来深刻的变革。

参考文献：Z. A. Manzer, S. Ghosh, A. Roy, M. L. Jacobs, J. Carten, N. P. Kamat and S. Daniel, Cell-Free Synthesis Goes Electric: Dual Optical and Electronic Biosensor via Direct Channel Integration into a Supported Membrane Electrode, ACS Synthetic Biology, 2023.

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