【產通社，7月31日訊】上海交通大學（Shanghai Jiao Tong University, SJTU）官網消息，國際著名綜合性期刊《Science Advances》近日在線發(fā)表了生命科學技術學院微生物代謝國家重點實驗室慶睿與MIT等多個研究團隊的合作文章 “Scalable biomimetic sensing system with membrane receptor dual-monolayer probe and graphene transistor arrays”。該研究從自然感知系統(tǒng)中汲取靈感，構建了一種基于膜蛋白設計的新型模塊化體外生物傳感架構RESENSA（Receptor S-layer Electrical Nano Sensing Array），用于識別人體內重要的細胞因子。生命科學技術學院長聘教軌副教授慶睿和MIT薛漫天博士為該文的共同第一作者。慶睿副教授，MIT的Tomás Palacios教授和Shuguang Zhang研究員為共同通訊作者。此外，MIT的Jing Kong研究組、BOKU的Uwe Sleytr研究組和中國水產科學研究院的吳立冬研究員也對該研究做出重要貢獻。

此種傳感架構使用細胞的I/O接口：膜蛋白作為探針材料，利用它們對外界刺激的特異性響應來檢測環(huán)境中的生物分子。研究團隊利用QTY編碼對在生理與病理過程中具有重要作用的膜蛋白進行改造，以維持它們在不含去垢劑的溶液中的功能構象，并通過S-layer二維結晶將其錨定在石墨烯晶體管陣列上，實現(xiàn)生物信號至電化學信號的特異性轉換。在文中所示的傳感器原型中，研究人員利用水溶化設計的CXCR4受體，實現(xiàn)了對血清中納摩爾范圍的CXCL12以及HIV病毒包膜糖蛋白gp41/120的特異性檢測。

該原型器件作為多通道仿生傳感系統(tǒng)開發(fā)的起點，將來可用于癌癥早篩或是腫瘤轉移等醫(yī)療狀況的常規(guī)篩查，或作為新型電子鼻在開放環(huán)境中模擬生物體生成特征信號圖譜，實現(xiàn)對于復雜系統(tǒng)的氣味分析。研究人員表示，這種傳感器可適用于分析包括血液、眼淚或唾液在內的各種體液樣本，并能通過配置多種膜蛋白同時篩選相應的不同目標。


從細胞膜上解放出來


目前報道的生物傳感器常基于單克隆抗體、核酸適配體或是固定化的全細胞等，它們雖然能夠高靈敏的捕獲體液中特定的目標分子，但在穩(wěn)定性、可重復性和制備成本等方面各有局限。而鑲嵌于細胞膜中的受體蛋白則是另一種常用的探針材料。高等真核生物的開放閱讀框約有三分之一編碼的是膜蛋白，它們作為細胞內外交流的窗口時刻監(jiān)測和響應環(huán)境。然而此類受體的應用受到其強疏水性的限制，從細胞膜上分離后仍需額外加入去垢劑或納米磷脂盤等添加劑才能在溶液中保持功能結構。

2018年，Shuguang Zhang和慶睿等人報道了一種名為QTY 編碼的簡便易行的蛋白質重構技術，基于不同氨基酸側鏈化學結構和電子云密度的相似性，特異性地使用親水氨基酸替代疏水氨基酸，以提高膜蛋白的溶解度，同時極大程度上保留其空間折疊和生物活性（此方法以谷氨酰胺Q、蘇氨酸T和酪氨酸Y三種代表親水性氨基酸的字母命名，它們分別取代了疏水性氨基酸亮氨酸、異亮氨酸/纈氨酸和苯丙氨酸）。Shuguang Zhang認為“多年來人們一直在嘗試構建基于膜受體的生物傳感，但其廣泛應用因需要添加去垢劑來保持蛋白穩(wěn)定構象而具有挑戰(zhàn)性。使用我們的方法可以廉價獲得大量具有生物活性的水溶性膜蛋白�！�

奧地利科學院、紐約科學院和歐洲科學與藝術學院院士Uwe B. Sleytr是S-layer蛋白的發(fā)現(xiàn)者，也為該系統(tǒng)提供了鏈接膜受體和器件的活化手段。作為古生菌和多種細菌表面連貫而致密的單分子層陣列，S-layer蛋白可在多種電化學基體上重建二維晶體結構，并作為導向元素在納米精度下控制蛋白受體的排列。Sleytr表示：“我們利用S-layer單分子陣列來將功能分子連接到器件上，并使其具有明確的分布和指向，就如在棋盤上精確排列的棋子一樣”。


具有仿生意義的靈敏度


研究人員將他們設計的受體/S-layer雙分子層探針命名為“Dual-monolayer”架構，并將其安裝在Tomás Palacios教授研發(fā)的石墨烯場效應晶體管陣列（GFET）芯片上。當樣品中的目標分子與受體蛋白特異性結合時，其所帶電荷會改變石墨烯的特性并產生可量化的電信號，該信號可通過USB接口傳輸?shù)竭B接芯片的計算機或智能手機。

本文的并列第一作者，MIT-EECS的薛漫天博士認為“石墨烯作為傳感材料具有優(yōu)異的電化學性能，從而更好的地轉換生物信號和電信號。其所具有的高表面/體積比可以將受體-配體的結合所產生的電學變化傳導到整個材料基體上”。

通過兩步涂敷，GFET芯片上受體分子的密度可達每平方厘米一萬億個，并在S-layer中間層的幫助下暴露其活性區(qū)域，這使得該系統(tǒng)可在待測物的臨床相關濃度區(qū)間內最大化利用受體蛋白的靈敏度。并且，每個芯片集成超過200個器件所提供的信號冗余能保證在較低待測物濃度下的測試準確度。研究人員認為這一特性可用于檢測與早期腫瘤或阿爾茨海默癥相關的生物標記物的存在。而QTY編碼的通用性和易用性使得傳統(tǒng)方法中難以應用的各種膜蛋白受體變得唾手可得。多種受體蛋白可組成單芯片多通道傳感陣列，使得該系統(tǒng)可模仿細胞功能，檢測出人體中具有重要作用的幾乎任何分子。慶睿認為該工作的亮點在于“采取自上而下的設計理念搭建通用性生物傳感系統(tǒng)架構，以通過膜蛋白的設計實現(xiàn)不同場景中對于小分子、內源配體或病原體等目標分子的特異性檢測，并在未來與手機和電腦等便攜設備集成，實現(xiàn)便攜家用的疾病早篩和健康監(jiān)測�！�

查詢進一步信息，請訪問官方網站http://news.sjtu.edu.cn/，以及http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf1402。（張嘉汐，產通發(fā)布）
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