生物传感器可能导致新药芯片上的感觉器官

模拟细胞膜中发现的特性并提供活动的电子读数的合成生物传感器可以更好地理解细胞生物学，新药的开发以及在能够检测化学物质的芯片上创建感觉器官，类似于鼻子和舌头的工作方式。

一项名为“无细胞合成走向电动：双光学和电子生物传感器直接通道集成到支持的膜电极中”的研究于18月<>日发表在ACS合成生物学杂志上。

论文中描述的生物工程壮举使用合成生物学来重建细胞膜及其嵌入的蛋白质，它们是细胞功能的守门人。导电传感平台允许在蛋白质被激活时进行电子读数。能够测试分子是否以及如何与细胞膜中的蛋白质反应可以产生许多应用。

但是，将膜蛋白嵌入传感器中是出了名的困难，直到该研究的作者将生物电子传感器与合成蛋白质的新方法相结合。

“这项技术确实使我们能够以现有技术极具挑战性的方式研究这些蛋白质，如果不是不可能的话，”第一作者ZacharyManzer说，他是资深作者SusanDaniel实验室的博士生，FredH.Rhodes教授和康奈尔工程学院RobertFrederickSmith化学与生物分子工程学院院长。

细胞膜内的蛋白质具有许多重要功能，包括与环境沟通，催化化学反应以及跨膜移动化合物和离子。当膜蛋白受体被激活时，带电的离子穿过膜通道，触发细胞中的功能。例如，当来自神经的信号显示带电的钙离子通道打开时，大脑神经元或肌肉细胞就会放电。

研究人员创造了一种生物传感器，该传感器从导电聚合物开始，该聚合物柔软且易于使用，在支撑物之上，该支架共同充当由计算机监控的电路。形成膜的一层脂质(脂肪)分子位于聚合物的顶部，感兴趣的蛋白质被放置在脂质中。

在这个概念验证中，研究人员创建了一个无细胞平台，使他们能够将模型蛋白直接合成到这种人造膜中。该系统内置了双读出技术。由于传感器的组件是透明的，研究人员可以使用光学技术，例如在激活时发出荧光的工程蛋白质，这使科学家能够通过显微镜研究基本原理，并观察蛋白质本身在细胞过程中会发生什么。他们还可以记录电子活动，通过巧妙的电路设计来观察蛋白质是如何运作的。

“这确实是利用跨膜蛋白的无细胞合成到生物传感器中的首次演示，”丹尼尔说。“我们没有理由不能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生长和提取的蛋白质用于类似的应用，但鉴于这一进步，用户不必在细胞中生长蛋白质，然后收获并将它们嵌入膜平台中。相反，他们可以直接从DNA合成它们，DNA是蛋白质的基本模板。

“我们可以绕过细胞的整个过程，作为生产蛋白质的工厂，”丹尼尔说，“我们自己生物制造蛋白质。

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将潜在的治疗分子流过该蛋白质，以查看其反应。或者，希望创建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敏感的特定蛋白质，例如在湖水中发现的蛋白质。

“如果你想到你的鼻子或你的舌头，每次你闻到或尝到一些东西时，离子通道都会被激发，”Manzer说。科学家现在可以将我们闻到某物时被激活的蛋白质转化为这个电子系统，以感知化学传感器可能无法检测到的东西。

新的传感器为药理学家研究如何制造非阿片类止痛药或治疗阿尔茨海默氏症或帕金森病的药物打开了大门，这些药物与细胞膜蛋白相互作用。