科学家开发“自上而下”设计的仿生传感系统

近日，国际著名综合性期刊《Science Advances》在线发表了上海交大生命科学技术学院微生物代谢国家重点实验室庆睿与MIT等多个研究团队的合作文章 “Scalable biomimetic sensing system with membrane receptor dual-monolayer probe and graphene transistor arrays”。该研究从自然感知系统中汲取灵感，构建了一种基于膜蛋白设计的新型模块化体外生物传感架构RESENSA（Receptor S-layer Electrical Nano Sensing Array），用于识别人体内重要的细胞因子。生命科学技术学院长聘教轨副教授庆睿和MIT薛漫天博士为该文的共同第一作者。庆睿副教授，MIT的Tomás Palacios教授和Shuguang Zhang研究员为共同通讯作者。此外，MIT的Jing Kong研究组、BOKU的Uwe Sleytr研究组和中国水产科学研究院的吴立冬研究员也对该研究做出重要贡献。

此种传感架构使用细胞的I/O接口：膜蛋白作为探针材料，利用它们对外界刺激的特异性响应来检测环境中的生物分子。研究团队利用QTY编码对在生理与病理过程中具有重要作用的膜蛋白进行改造，以维持它们在不含去垢剂的溶液中的功能构象，并通过S-layer二维结晶将其锚定在石墨烯晶体管阵列上，实现生物信号至电化学信号的特异性转换。在文中所示的传感器原型中，研究人员利用水溶化设计的CXCR4受体，实现了对血清中纳摩尔范围的CXCL12以及HIV病毒包膜糖蛋白gp41/120的特异性检测。

该原型器件作为多通道仿生传感系统开发的起点，将来可用于癌症早筛或是肿瘤转移等医疗状况的常规筛查，或作为新型电子鼻在开放环境中模拟生物体生成特征信号图谱，实现对于复杂系统的气味分析。研究人员表示，这种传感器可适用于分析包括血液、眼泪或唾液在内的各种体液样本，并能通过配置多种膜蛋白同时筛选相应的不同目标。

从细胞膜上解放出来

目前报道的生物传感器常基于单克隆抗体、核酸适配体或是固定化的全细胞等，它们虽然能够高灵敏的捕获体液中特定的目标分子，但在稳定性、可重复性和制备成本等方面各有局限。而镶嵌于细胞膜中的受体蛋白则是另一种常用的探针材料。高等真核生物的开放阅读框约有三分之一编码的是膜蛋白，它们作为细胞内外交流的窗口时刻监测和响应环境。然而此类受体的应用受到其强疏水性的限制，从细胞膜上分离后仍需额外加入去垢剂或纳米磷脂盘等添加剂才能在溶液中保持功能结构。

2018年，Shuguang Zhang和庆睿等人报道了一种名为QTY 编码的简便易行的蛋白质重构技术，基于不同氨基酸侧链化学结构和电子云密度的相似性，特异性地使用亲水氨基酸替代疏水氨基酸，以提高膜蛋白的溶解度，同时极大程度上保留其空间折叠和生物活性（此方法以谷氨酰胺Q、苏氨酸T和酪氨酸Y三种代表亲水性氨基酸的字母命名，它们分别取代了疏水性氨基酸亮氨酸、异亮氨酸/缬氨酸和苯丙氨酸）。Shuguang Zhang 认为“多年来人们一直在尝试构建基于膜受体的生物传感，但其广泛应用因需要添加去垢剂来保持蛋白稳定构象而具有挑战性。使用我们的方法可以廉价获得大量具有生物活性的水溶性膜蛋白。”

奥地利科学院、纽约科学院和欧洲科学与艺术学院院士Uwe B. Sleytr是S-layer蛋白的发现者，也为该系统提供了链接膜受体和器件的活化手段。作为古生菌和多种细菌表面连贯而致密的单分子层阵列，S-layer蛋白可在多种电化学基体上重建二维晶体结构，并作为导向元素在纳米精度下控制蛋白受体的排列。Sleytr表示：“我们利用S-layer单分子阵列来将功能分子连接到器件上，并使其具有明确的分布和指向，就如在棋盘上精确排列的棋子一样”

具有仿生意义的灵敏度

研究人员将他们设计的受体/S-layer双分子层探针命名为“Dual-monolayer”架构，并将其安装在Tomás Palacios教授研发的石墨烯场效应晶体管阵列（GFET）芯片上。当样品中的目标分子与受体蛋白特异性结合时，其所带电荷会改变石墨烯的特性并产生可量化的电信号，该信号可通过USB接口传输到连接芯片的计算机或智能手机。

本文的并列第一作者，MIT-EECS的薛漫天博士认为“石墨烯作为传感材料具有优异的电化学性能，从而更好的地转换生物信号和电信号。其所具有的高表面/体积比可以将受体-配体的结合所产生的电学变化传导到整个材料基体上”。

图：Dr. Yiwen Huang, MIT

通过两步涂敷，GFET芯片上受体分子的密度可达每平方厘米一万亿个，并在S-layer中间层的帮助下暴露其活性区域，这使得该系统可在待测物的临床相关浓度区间内最大化利用受体蛋白的灵敏度。并且，每个芯片集成超过200个器件所提供的信号冗余能保证在较低待测物浓度下的测试准确度。研究人员认为这一特性可用于检测与早期肿瘤或阿尔茨海默症相关的生物标记物的存在。而QTY编码的通用性和易用性使得传统方法中难以应用的各种膜蛋白受体变得唾手可得。多种受体蛋白可组成单芯片多通道传感阵列，使得该系统可模仿细胞功能，检测出人体中具有重要作用的几乎任何分子。庆睿认为该工作的亮点在于：“采取自上而下的设计理念搭建通用性生物传感系统架构，以通过膜蛋白的设计实现不同场景中对于小分子、内源配体或病原体等目标分子的特异性检测，并在未来与手机和电脑等便携设备集成，实现便携家用的疾病早筛和健康监测。”

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