具有透明組件的生物傳感器給予光學技術用武之地——例如設計出在激活時可以發出熒光的蛋白質。

據麥姆斯咨詢報道，來自美國紐約康奈爾大學（Cornell University）的科學家們開發了一種光電雙讀出的生物傳感器，其可以模擬細胞膜的生理特性，并提供細胞活動的相應電子讀出。研究人員表示：“這項研究可以幫助人們更好地理解細胞生物學，促進新藥的開發，并創造出像人類鼻子和舌頭一樣檢測化學物質的‘感覺器官芯片’。”這一成果近期以“Cell-Free Synthesis Goes Electric: Dual Optical and Electronic Biosensor via Direct Channel Integration into a Supported Membrane Electrode”為題發表于美國化學學會期刊Synthetic Biology。

這項技術利用合成生物學重建了細胞膜及嵌入其中的蛋白質。這些蛋白質幾乎參與了所有的細胞功能，當蛋白質被激活時，該生物傳感平臺即產生光學響應和相應的電子讀出。

該傳感平臺的光學響應和相應的電子讀出

將膜蛋白植入傳感器一直是一個制約環節，直到該研究的科學家們將生物電子傳感器與合成蛋白質的新方法結合了起來。

該研究論文第一作者Zachary Manzer說道：“這項技術允許我們以一種利用現有技術幾乎難以實現的方式來研究蛋白質。”Zachary Manzer是康奈爾大學工程學院Robert Frederick Smith化學與生物分子工程系主任、Fred H. Rhodes教授、該論文通訊作者Susan Daniel所負責實驗室的一名博士生。

研究人員利用一種導電聚合物構建了所需的生物傳感器。這種聚合物很軟，易于使用，可以充當一個檢測電路。隨后，將感興趣的蛋白質修飾到位于聚合物上方的脂質分子層（細胞膜的組成成分）中。

在這個概念驗證中，研究人員創建了一個無細胞的傳感平臺，可以將合成的模型蛋白直接結合到這種人造細胞膜中。此外，該系統具有內置的光電雙讀出技術。

由于傳感器的組件是透明的，使得光學技術有了用武之地，例如設計出在激活時可以發出熒光的蛋白質，這使得科學家可以通過顯微鏡研究細胞生物學基本原理，并觀察蛋白質本身在細胞過程中的變化。利用巧妙的電路設計，研究人員還可以通過記錄電子活動來觀察蛋白質的運作機制。

Daniel說：“這是第一次成功將跨膜蛋白的無細胞合成應用到生物傳感器的構建當中。我們可以在這個通用平臺上表達許多不同種類的蛋白質。”

目前，研究人員已經將從活細胞中培養和提取的蛋白質用于類似的實踐，但鑒于上述研究進展，研究人員不必先在細胞中培養出蛋白質后再將其嵌入膜平臺。相反，他們可以直接利用DNA，即蛋白質的基本模板，來合成蛋白質。

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能會讓潛在的治療分子穿過該蛋白質，以此來觀察該蛋白質的反應。或者，希望制造環境傳感器的科學家可以在平臺上放置一種對化學物質或污染物（比如湖水中的化學物質或污染物）敏感的特定蛋白質。

Manzer說：“試想一下你的鼻子或舌頭，每當你聞到或嘗到某種東西時，離子通道就會放電。科學家們現在可能會利用我們聞到某種物質時被激活的蛋白質，并將激活的結果轉化為電子信號進入系統，以感知傳統化學傳感器無法檢測到的信號。”

這種新型傳感器為藥理學家研究及制造與細胞膜蛋白相互作用的藥物，例如非阿片類止痛藥以及治療阿爾茨海默病或帕金森病的藥物打開了大門。

審核編輯：劉清