新生物传感器创建芯片上的“感觉器官”

美国康奈尔大学工程学院开发出一种能模拟细胞膜的特性并提供电子读数的合成生物传感器。该研究近日发表在美国化学会《ACS合成生物学》杂志上，其有助于更好地了解细胞生物学、开发新药以及在芯片上创建“感觉器官”。

细胞膜内的蛋白质是细胞功能的“守门人”，具有许多重要功能，包括与环境交流、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，带电离子穿过膜通道，触发细胞功能。例如，当来自神经的信号指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。

该研究使用合成生物学方法重建细胞膜及其嵌入的蛋白质，创造了一种生物传感器。它以一种柔软且易于使用的导电聚合物为起点，在支撑物之上充当电路并由计算机监控。形成膜的一层脂质分子位于聚合物的顶部，目标蛋白质位于脂质内。这个导电传感平台可以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发生反应。

在概念验证研究中，研究人员创建的无细胞传感平台将模型蛋白质直接合成到人造膜中。由于传感器的组件是透明的，研究人员可使用光学技术，例如在激活时发出荧光的工程蛋白质，通过显微镜研究基本原理，并观察细胞过程中的蛋白质本身发生了什么。他们还可记录电子活动，通过巧妙的电路设计了解蛋白质的功能。

研究人员称，这是利用跨膜蛋白的无细胞合成生物传感器的第一个范例。他们将不必在细胞中生长蛋白质，然后再将它们嵌入膜平台。相反，他们可直接从DNA进行合成。

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，可以将潜在的治疗分子流过该蛋白质以观察它的反应；希望创建环境传感器的科学家也可在平台上放置敏感蛋白质，对化学物质或污染物进行检测。

用鼻子去闻、用舌头去尝，看似简单的动作中，离子通道就启动了。科学家们现在可在人们闻到某种东西时提取被激活的蛋白质，并将结果转化到电子系统里，去感知以往化学传感器根本无法检测到的东西。与此同时，新传感器为药理学开辟出一条路径：如何制造非阿片类止痛药？如何开发阿尔茨海默及帕金森病治疗药？利用细胞膜蛋白的相互作用，我们可能有截然不同的思路诞生。