- 工程師報告低成本的人類生物標志物傳感器設計
- 來源：Ashley WennersHerron，賓夕法尼亞州立大學 發表于 2023/6/9
蛋白質傳感核糖開關和無細胞核糖開關表征的設計。A 翻譯調節核糖開關模型將蛋白質結合RNA適配體的序列，結構和結合自由能作為輸入。該模型設計了候選核糖開關序列，以響應蛋白質濃度的變化，大限度地激活或抑制翻譯起始。B 核糖開關傳感器在無細胞表達系統（TX-TL）中進行測試，加入蛋白表達質粒或純化蛋白。C Riboswitch傳感器功能的特征在于測量報告蛋白表達水平以響應蛋白質配體濃度的變化，同時在無適配體對照上進行相同的測量。核糖開關活化或抑制比是通過比較報告基因表達水平（包括無適配體對照測量）來確定的，以排除非特異性相互作用。無細胞檢測測量示例包括（淺藍色）、不添加 MS2 蛋白的 MS2 傳感核糖開關;（深藍色）添加了MS2表達質粒的MS2傳感核糖開關;（淺紅色）不添加MS2蛋白的無適配體對照;和（深紅色）添加MS2表達質粒的無適配體對照。線是每個時間點的平均mRFP1熒光水平。陰影區域是每個時間點的95%置信區間（N = 6個生物學重復）。自然通訊 （2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-38098-0
賓夕法尼亞州立大學的研究人員開發了一種低成本的、基于RNA的技術來檢測和測量生物標志物，這可以幫助解碼身體的生理機能。蛋白質生物標志物的存在可以表明慢性或急性疾病，從關節炎到癌癥再到細菌感染，常規測試的費用從100美元到1美元不等。新技術可以以大約一美元的價格進行相同的測量。
該團隊在《自然通訊》上發表了他們的研究結果，結合了生物工程、化學工程和生物醫學工程副教授霍華德·薩利斯的努力;格蕾絲·韋佐，2021 年獲得賓夕法尼亞州立大學生物工程博士學位;以及 Lipika Gadila，他于 2018 年獲得賓夕法尼亞州立大學化學工程理學學士學位。
結果表明，基于RNA的傳感器可以設計用于檢測人類生物標志物蛋白，包括參與心臟病和關節炎等慢性炎癥的單體C反應蛋白，以及白細胞介素-32 γ，一種用于病毒或細菌感染等急性感染的信號蛋白。根據Salis的說法，這種傳感器可用于開發用于診斷測試的設備。
“這些測試可以幫助臨床醫生診斷患者，但在幾周內定期進行多種生物標志物測量更具信息性，”Salis說。“現在，一項測試可能很昂貴，而且它們加起來。借助我們基于 RNA 的新技術，現在可以以更少的成本進行相同的測量。
該技術是無細胞表達系統和稱為核糖開關的工程化基于RNA的傳感器的組合。無細胞表達系統包含讀取DNA和產生蛋白質的細胞機制，但它們不受細胞膜的限制，允許大塊蛋白質自由進入。
核糖開關被設計成與生物標志物蛋白結合并調節可觀察信號的激活或抑制。核糖開關本身由DNA指令在無細胞表達系統內產生。總的來說，這些材料的成本約為每次反應的一美元。
根據Salis的說法，這是研究人員首次設計出核糖開關傳感器來檢測生物標志物蛋白。他說，挑戰在于找出好的DNA指令來產生靈敏的蛋白質傳感器。
“過去設計這種核糖開關傳感器的努力在很大程度上依賴于試錯實驗，例如，構建和表征大型隨機文庫以識別有效的核糖開關變體 - 遺傳藍圖和適配體，”Salis說。“結合熱力學建模和計算優化，我們合理地設計了新的核糖開關，這些核糖開關被預測為良好的蛋白質傳感器，然后我們對其進行了測試。我們的設計算法稱為Riboswitch計算器。
Salis和研究人員測試了他們的新技術來檢測三種蛋白質：MS2，一種在細菌噬菌體中發現的小蛋白質，作為原理驗證測試;以及醫學相關的生物標志物人單體C反應蛋白和人白細胞介素-32γ。研究人員設計了32個核糖開關，其中大多數成功感知了它們的靶蛋白。
“目前的檢測需要昂貴的檢測試劑，昂貴而笨重的儀器，樣品冷鏈儲存和分配以及訓練有素的人員，”Salis說。“通過應用建模和計算設計，我們設計了可以冷凍干燥和再水化的低成本蛋白質傳感器。下一步是開發一種易于使用的設備，允許研究人員和臨床醫生使用這項新技術。
更多信息：Grace E. Vezeau等人，用于檢測無細胞表達系統中人類生物標志物的蛋白質結合核糖開關的自動化設計，Nature Communications（2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-38098-0
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