新生物感測器創建晶片上的“感覺器官”

美國康奈爾大學工程學院開發出一種能模擬細胞膜的特性並提供電子讀數的合成生物感測器。該研究近日發表在美國化學會《ACS合成生物學》雜誌上，其有助於更好地了解細胞生物學、開發新藥以及在晶片上創建“感覺器官”。

細胞膜內的蛋白質是細胞功能的“守門人”，具有許多重要功能，包括與環境交流、催化化學反應以及跨膜移動化合物和離子。當膜蛋白受體被激活時，帶電離子穿過膜通道，觸發細胞功能。例如，當來自神經的信號指示帶電的鈣離子通道打開時，大腦神經元或肌肉細胞就會放電。

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，創造了一種生物感測器。它以一種柔軟且易於使用的導電聚合物為起點，在支撐物之上充當電路並由電腦監控。形成膜的一層脂質分子位於聚合物的頂部，目標蛋白質位於脂質內。這個導電傳感平臺可以在蛋白質被激活時進行電子讀數，能夠測試分子是否以及如何與細胞膜中的蛋白質發生反應。

在概念驗證研究中，研究人員創建的無細胞傳感平臺將模型蛋白質直接合成到人造膜中。由於感測器的組件是透明的，研究人員可使用光學技術，例如在激活時發出熒光的工程蛋白質，通過顯微鏡研究基本原理，並觀察細胞過程中的蛋白質本身發生了什麼。他們還可記錄電子活動，通過巧妙的電路設計了解蛋白質的功能。

研究人員稱，這是利用跨膜蛋白的無細胞合成生物感測器的第一個範例。他們將不必在細胞中生長蛋白質，然後再將它們嵌入膜平臺。相反，他們可直接從DNA進行合成。

有了這樣的系統，對與疾病有關的特定蛋白質感興趣的藥物化學家，可以將潛在的治療分子流過該蛋白質以觀察它的反應；希望創建環境感測器的科學家也可在平臺上放置敏感蛋白質，對化學物質或污染物進行檢測。

【總編輯圈點】

用鼻子去聞、用舌頭去嘗，看似簡單的動作中，離子通道就啟動了。科學家們現在可在人們聞到某種東西時提取被激活的蛋白質，並將結果轉化到電子系統裏，去感知以往化學感測器根本無法檢測到的東西。與此同時，新感測器為藥理學開闢出一條路徑：如何製造非阿片類止痛藥？如何開發阿爾茨海默及帕金森病治療藥？利用細胞膜蛋白的相互作用，我們可能有截然不同的思路誕生。