未來使用無細胞系統作為抗體等

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態調節因子，參與信息和物質跨細胞膜的運輸。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境中維持其結構和功能，因此，在電子界面上重新創建適當的膜環境，以保持跨膜蛋白的活性，一直是該領域的一個挑戰。

最近美國康奈爾大學工程學院在ACS Synthetic Biology發表了一篇題為“Cell-Free Synthesis Goes Electric: Dual Optical and Electronic Biosensor via Direct Channel Integration into a Supported Membrane Electrode”的研究，研究者開發出了一種能模擬細胞膜的特性并提供電子讀數的合成生物傳感器，有助于更好地了解細胞生物學、開發新藥以及在微流控芯片上創建“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，創造了一種生物傳感器。支撐性脂質雙層膜（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)可以對蛋白質合成和反應環境進行設計，但保留了原生細胞機制，可以讓蛋白質在產生時直接插入雙分子層。因此，如果在蛋白質合成時，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，導電聚合物能夠實現電氣讀數，由于傳感器的組件是透明的，可以用熒光顯微鏡實現光學測量，使其成為雙模態傳感器(如下圖)，觀察蛋白質本身在細胞過程中會發生什么，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涂層的情況下，其作為陰離子脂質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的兩個品質因數:取向和遷移率，證實合成蛋白的狀態以及可移動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的取向和遷移，隨著反應進行時出現的熒光來觀察蛋白質的合成，進一步將氨基酸切除并觀察熒光損失情況來評估蛋白質的取向。研究發現標記蛋白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中的蛋白質流動性，其圖像和移動粒子的軌跡如下圖所示，發現大約40%的蛋白質具有移動性。

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現，野生型基本沒有反應，突變型則觸發突變體的通道開放，從而降低電阻，表明蛋白質被激活，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，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、醫療健康、材料化工和農業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業，在推動科學革命的同時，合成生物技術正快速向實用化、產業化方向發展。

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進入一個爆炸性發展時期。它的發展將會像20世紀電子工程的發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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