未來使用無細胞系統(tǒng)作為抗體等

高價值成分的制造平臺具有巨大前景！

——Paul Freemont

英國倫敦帝國理工學院的合成生物學家

在我們的細胞組成中，膜蛋白是一種重要的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)因子，參與信息和物質(zhì)跨細胞膜的運輸。如果將這一功能運用到各種材料設備上，就可以實現(xiàn)各種生物功能的平臺化，例如穿戴傳感器、藥物篩選等。因此，為了利用膜的某些特定的功能，就需要將膜以某種固定的模式與非生物材料連接，如共軛聚合物就是一種標準的生物電子接口材料。但更具挑戰(zhàn)性的一類生物分子與生物電子平臺的接口是跨膜蛋白，它的難點在于需要在脂雙層膜這種特定的環(huán)境中維持其結構和功能，因此，在電子界面上重新創(chuàng)建適當?shù)哪きh(huán)境，以保持跨膜蛋白的活性，一直是該領域的一個挑戰(zhàn)。

最近美國康奈爾大學工程學院在ACS Synthetic Biology發(fā)表了一篇題為“Cell-Free Synthesis Goes Electric: Dual Optical and Electronic Biosensor via Direct Channel Integration into a Supported Membrane Electrode”的研究，研究者開發(fā)出了一種能模擬細胞膜的特性并提供電子讀數(shù)的合成生物傳感器，有助于更好地了解細胞生物學、開發(fā)新藥以及在微流控芯片上創(chuàng)建“感覺器官”。

該研究使用合成生物學方法重建細胞膜及其嵌入的蛋白質(zhì)，創(chuàng)造了一種生物傳感器。支撐性脂質(zhì)雙層膜（SLB）可以與各種表面分析技術兼容，裝配在導電聚合物表面可以實現(xiàn)跨膜蛋白活性與電子界面的耦合。無細胞蛋白合成體系(CFPS)可以對蛋白質(zhì)合成和反應環(huán)境進行設計，但保留了原生細胞機制，可以讓蛋白質(zhì)在產(chǎn)生時直接插入雙分子層。因此，如果在蛋白質(zhì)合成時，將合成膜補充到CFPS體系中，則可以一步將跨膜蛋白組裝到合成膜上，避免跨膜蛋白表達方面的一些困難，最大限度的減少了將跨膜蛋白組裝到SLB上所需的步驟。

根據(jù)這一原理，研究人員在電極上使用傳感器的組件（PEDOT:PSS）薄膜組裝離子通道蛋白，并通過嵌入的離子通道測量穿過支撐膜的離子通量。因此，導電聚合物能夠?qū)崿F(xiàn)電氣讀數(shù)，由于傳感器的組件是透明的，可以用熒光顯微鏡實現(xiàn)光學測量，使其成為雙模態(tài)傳感器(如下圖)，觀察蛋白質(zhì)本身在細胞過程中會發(fā)生什么，還記錄電子活動，通過巧妙的電路設計來觀察蛋白質(zhì)是如何運作的。

首先，在該傳感器的組裝過程中，為了最大化跨膜離子通道生物傳感平臺的靈敏度，需要在低阻抗的電極表面上成功形成SLB。PEDOT:PSS是一種生物相容的導電聚合物，是一種低阻抗的電極表面。然而PEDOT:PSS在沒有陽離子電解質(zhì)涂層的情況下，其作為陰離子脂質(zhì)體并不能破裂并自組裝成SLB。所以首先要先在PEDOT:PSS表面進行陽離子電解質(zhì)涂層，進而SLB在上面組裝，然后使用一個研究充分的細菌跨膜蛋白(MscL)通過無細胞蛋白質(zhì)合成反應，繞過純化和重建，將可移動膜蛋白摻入這些裝置中的SLB。

進一步通過測量蛋白質(zhì)的兩個品質(zhì)因數(shù):取向和遷移率，證實合成蛋白的狀態(tài)以及可移動SLB的存在。一旦器件形成，MscL在雙層中的方向和移動性得到確認，通過電學方法可以評估它的離子流活性。在該研究中，通過標記某些氨基酸測量蛋白質(zhì)的取向和遷移，隨著反應進行時出現(xiàn)的熒光來觀察蛋白質(zhì)的合成，進一步將氨基酸切除并觀察熒光損失情況來評估蛋白質(zhì)的取向。研究發(fā)現(xiàn)標記蛋白MscL主要以同一個方向共翻譯合成到SLB中。在確定組合蛋白質(zhì)的方向后，使用單顆粒追蹤分析來評估這些液體SLB中的蛋白質(zhì)流動性，其圖像和移動粒子的軌跡如下圖所示，發(fā)現(xiàn)大約40%的蛋白質(zhì)具有移動性。

在確認了目標蛋白的插入、取向和遷移率之后，使用電化學阻抗譜從功能上表征生物傳感器的性能。通過使用一種MscL蛋白的突變體來評估蛋白反應的特異性，這種突變體會對化學刺激產(chǎn)生反應，而野生型的則不會。將MscL單獨組裝帶電極上，而突變型MscL轉化為SLB進行組裝，兩種情況的阻抗譜沒有很大的差異，都向更高的電阻值移動。而將他們通過CFPS組裝SLB后，暴露于化學激活劑中發(fā)現(xiàn)，野生型基本沒有反應，突變型則觸發(fā)突變體的通道開放，從而降低電阻，表明蛋白質(zhì)被激活，并且通道具有功能特異性。

研究人員稱，這是利用跨膜蛋白的無細胞合成生物傳感器的首次演示 。他們將不必在細胞中生長蛋白質(zhì)，然后再將它們嵌入膜平臺。相反，他們可直接從DNA進行合成。這種無障礙的制造方式將進一步擴大生物傳感平臺的采用和創(chuàng)新。通過該配置可以為任何電氣配置提供定制的電路設計，并且使囊泡融合技術非常易于使用。該技術還可以應用于廣泛的跨膜蛋白，創(chuàng)造出一種強大的傳感器，能夠檢測范圍廣泛的不同分子，進而應用于醫(yī)療、制造、制藥和研究等領域。

這種生物傳感器只是合成生物學龐大領域的一個分支，合成物學作為一門新興交叉的前沿科學，在生命科學、能源科技、醫(yī)療健康、材料化工和農(nóng)業(yè)科技等領域具有廣闊的應用前景。目前，合成生物學已被廣泛應用于各種產(chǎn)業(yè)，在推動科學革命的同時，合成生物技術正快速向?qū)嵱没a(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

合成生物學領域的這些研究成果也使人們相信，合成生物學的研究正在或已經(jīng)進入一個爆炸性發(fā)展時期。它的發(fā)展將會像20世紀電子工程的發(fā)展一樣給人類社會帶來深刻的變革。

參考文獻：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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