具有透明组件的生物传感器给予光学技术用武之地

具有透明组件的生物传感器给予光学技术用武之地——例如设计出在激活时可以发出荧光的蛋白质。

据麦姆斯咨询报道，来自美国纽约康奈尔大学（Cornell University）的科学家们开发了一种光电双读出的生物传感器，其可以模拟细胞膜的生理特性，并提供细胞活动的相应电子读出。研究人员表示：“这项研究可以帮助人们更好地理解细胞生物学，促进新药的开发，并创造出像人类鼻子和舌头一样检测化学物质的‘感觉器官芯片’。”这一成果近期以“Cell-Free Synthesis Goes Electric: Dual Optical and Electronic Biosensor via Direct Channel Integration into a Supported Membrane Electrode”为题发表于美国化学学会期刊Synthetic Biology。

这项技术利用合成生物学重建了细胞膜及嵌入其中的蛋白质。这些蛋白质几乎参与了所有的细胞功能，当蛋白质被激活时，该生物传感平台即产生光学响应和相应的电子读出。

该传感平台的光学响应和相应的电子读出

将膜蛋白植入传感器一直是一个制约环节，直到该研究的科学家们将生物电子传感器与合成蛋白质的新方法结合了起来。

该研究论文第一作者Zachary Manzer说道：“这项技术允许我们以一种利用现有技术几乎难以实现的方式来研究蛋白质。”Zachary Manzer是康奈尔大学工程学院Robert Frederick Smith化学与生物分子工程系主任、Fred H. Rhodes教授、该论文通讯作者Susan Daniel所负责实验室的一名博士生。

研究人员利用一种导电聚合物构建了所需的生物传感器。这种聚合物很软，易于使用，可以充当一个检测电路。随后，将感兴趣的蛋白质修饰到位于聚合物上方的脂质分子层（细胞膜的组成成分）中。

在这个概念验证中，研究人员创建了一个无细胞的传感平台，可以将合成的模型蛋白直接结合到这种人造细胞膜中。此外，该系统具有内置的光电双读出技术。

由于传感器的组件是透明的，使得光学技术有了用武之地，例如设计出在激活时可以发出荧光的蛋白质，这使得科学家可以通过显微镜研究细胞生物学基本原理，并观察蛋白质本身在细胞过程中的变化。利用巧妙的电路设计，研究人员还可以通过记录电子活动来观察蛋白质的运作机制。

Daniel说：“这是第一次成功将跨膜蛋白的无细胞合成应用到生物传感器的构建当中。我们可以在这个通用平台上表达许多不同种类的蛋白质。”

目前，研究人员已经将从活细胞中培养和提取的蛋白质用于类似的实践，但鉴于上述研究进展，研究人员不必先在细胞中培养出蛋白质后再将其嵌入膜平台。相反，他们可以直接利用DNA，即蛋白质的基本模板，来合成蛋白质。

有了这样的系统，对与疾病有关的特定蛋白质感兴趣的药物化学家可能会让潜在的治疗分子穿过该蛋白质，以此来观察该蛋白质的反应。或者，希望制造环境传感器的科学家可以在平台上放置一种对化学物质或污染物（比如湖水中的化学物质或污染物）敏感的特定蛋白质。

Manzer说：“试想一下你的鼻子或舌头，每当你闻到或尝到某种东西时，离子通道就会放电。科学家们现在可能会利用我们闻到某种物质时被激活的蛋白质，并将激活的结果转化为电子信号进入系统，以感知传统化学传感器无法检测到的信号。”

这种新型传感器为药理学家研究及制造与细胞膜蛋白相互作用的药物，例如非阿片类止痛药以及治疗阿尔茨海默病或帕金森病的药物打开了大门。

审核编辑：刘清