传感器新领域的革命性突破—无细胞传感器-苏州珀罗汀生物技术有限公司

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传感器新领域的革命性突破—无细胞传感器

发布时间：

2023-09-08

传感器作为我国“强基工程”的核心关键部件之一，是实现工业转型升级、提高产品质量和可靠性的重要组成部分。2020年我国生物传感器行业需求量约30176万个，其中，试剂及检测盒类领域需求量29008万个 ;生物传感器仪器类领域需求量1168万个。2020年我国传感器行业市场规模约92亿元，下游需求领域主要分布在医疗领域，2020年医疗领域规模占比达到了79%(资料参考：智研咨询)。

生物传感器是以生物成分为主要功能元件，用于快速检测各种痕量分析物的分析工具。它们通常由敏感的生物特征元件、换能器和信号分析系统组成。敏感元件(酶、抗体、细胞等)识别并结合分析物。然后换能器捕获敏感材料和分析物之间的相互作用，并将该相互作用转换为可识别的信号(例如电信号)，通过信号分析系统进一步计算分析物的量。与气相色谱(GC)和高效液相色谱(HPLC)等传统的基于仪器的分析化学相比，生物传感器成本更低、特异性更强、更快、更易于操作，能够在线分析、实时识别并且同时输出结果。因此，它们的使用更加高效和方便。凭借生物传感器的优势，它们已被广泛应用于环境检测、食品安全检测、疾病诊断、生化分析等领域。

合成生物学促进了生物传感器作为检测微量物质工具的发展。过去，基于合成生物学的生物传感器是在是在活细胞的基础上设计的，但但由于存在转基因和细胞膜堵赛等问题，细胞生物传感器的发展受到很大限制。近几十年来，合成生物学的设计主要依赖于活细胞，这加速了细胞生物传感器的快速发展。但是细胞生物传感器使用活的转基因微生物，如果它们被释放到环境中，就会存在某些不安全因素。此外，也会使得生物传感器的响应时间延长，因为一些分析物很难穿过细胞膜，并且一些分析物可能对活细胞有毒。因此，一些基于细胞的生物传感器不适合检测细胞毒性或不可渗透的膜分析物，如有机磷酸酯。它们也可能受到实际环境样本(如有毒废水)以及自身生理和化学条件(如温度和盐浓度)的影响。

无细胞合成生物学的出现不仅促进了无细胞生物传感器的构建，而且解决了上述限制。并开发了基于无细胞蛋白质合成(CFPS)系统的生物传感器平台，这具有比细胞生物传感器更高的安全性、更高的灵敏度和更快的响应时间!与此同时，推动了生物传感器的发展。合成生物学通过设计生物组件的遗传电路和逻辑运算，产生了各种遗传设备和生物模块，在生物传感器的应用中具有巨大潜力。它促进了定制编程灵敏度、特异性和动态范围的构建，并扩大了传感器检测目标的范围，为提高生物传感器的性能提供了变革性工具。

图1：无细胞生物传感器的原理和机制

CFPS系统在开放环境中进行生物转录和翻译，表现出优于细胞系统的各种独特功能，并为生物传感器引入更复杂的遗传回路奠定了基础。

由于无细胞系统的独特性，无细胞生物传感器具有以下显著优点：

安全：转基因生物不会被释放，也不存在生物安全问题;

毒性/化学耐受性：该系统可以在存在毒素的情况下运行;

稳定性：通过冷冻干燥技术，无细胞系统具有较高的长期储存稳定性;

灵敏度：检测极限可以达到纳摩尔水平;

响应时间：被测材料可以在无细胞环境中与传感器直接反应，更快地产生信号。

鲁棒性：当受到不确定因素的干扰时，无细胞系统可以保持其结构和功能的稳定。

选择性：生物传感器元件的选择性可以减弱其他信号的干扰。

图2：无细胞生物传感器的工作流程

无细胞生物传感器的信号主要以光学或电化学信号的形式输出。在这里，光学报告子可以概括为三类，包括荧光(gfp、deGFP、rfp、mScarlet)、比色(lacZ)和生物发光(lux、luc、NanoLuc)报告子。鉴定后，下游报告基因被激活并在无细胞系统中表达。各种输出方法可用于监测报告基因表达的蛋白质，包括荧光、发光、可见颜色变化等。

最常见的方法是基于GFP报告蛋白质的荧光，这是实验室操作中一种简单、方便、直观的信号输出方法，并且不需要反应底物。除了光信号输出外，无细胞生物传感器还可以通过电化学测量输出。可以产生与无细胞系统和电化学信号相结合的各种材料电极，同时电极可以捕获目标。电容电压和恒定电容测量用于监测传感器制备的表面修饰步骤引起的电容变化，以及受体及其配体之间的相互作用。

图3：报告基因gfp在CFPS系统中表达并以光信号的形式输出

这种具有独特优势的无细胞系统为生物传感器的开发提供了一个新颖的设计平台。考虑到CFPS的开放性和快速成型能力，CFPS系统可以为生物传感器和遗传电路的构建和优化开辟更多的设计空间。CFPS系统还可以与数学建模和高科技(如自动化和微流体)相结合，以释放无细胞生物传感器的潜力[112]。在无细胞生物传感器的实际应用中，基于便携式纸平台的冻干技术可以保持系统的稳定性，促进了其便携式使用，降低了成本。未来，无细胞生物传感器可以使用于已经在基于细胞生物传感器上证明过的合成生物学工具(例如，工程模块化遗传学、逻辑门和放大电路)来提高其灵敏度、选择性并扩展其功能。

珀罗汀生物作为一家专业的无细胞蛋白表达生物技术公司，拥有国家高层次领军人才、海归博士等人才组成的专业技术团队，以自主研发、独具特色的无细胞蛋白表达技术平台为依托，专业从事多肽、重组蛋白、基因工程抗体、重组疫苗以及大分子蛋白药物的研究和开发，同时为广大生物医药企业和研究机构提供无细胞蛋白表达产品、蛋白原料试剂及定制化服务。

公司自主研发的无细胞蛋白表达试剂盒仅需加入蛋白基因(PCR产物或环状质粒)，最快1小时即可产出蛋白，蛋白产量最高可达3mg/mL!

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