G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）是真核生物中最大、種類最多的膜受體之一。GPCR在人體視覺、嗅覺、味覺，以及激素和神經(jīng)遞質(zhì)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮著重要的生理功能，在細(xì)胞信號傳導(dǎo)以及免疫調(diào)節(jié)中也發(fā)揮著重要作用。利用GPCR構(gòu)建的生物傳感器，可用于化學(xué)物質(zhì)、細(xì)菌、病毒和疾病的檢測，并且具有成本低、便攜等特性。

近日，廈門大學(xué)教授袁吉鋒團(tuán)隊(duì)在一項(xiàng)最新研究中，增強(qiáng)了酵母生物傳感器在真菌檢測方面的性能。這種工程化酵母生物傳感器具有較好的靈敏度和信號輸出強(qiáng)度，為該類生物傳感器在公共衛(wèi)生領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表在《生物傳感與生物電子》上。

基于釀酒酵母細(xì)胞構(gòu)建生物傳感器

生物傳感器一般被認(rèn)為是一種化學(xué)傳感設(shè)備和分析設(shè)備。袁吉鋒介紹，早期的生物傳感器主要由兩個(gè)部分構(gòu)建，分別是生物元件和傳感器元件。生物元件可以是酶、抗體、核酸、細(xì)胞或仿生組織等，這些特定的生物元件可以識別特定的分析物；傳感器元件包括電流、電勢等，它們負(fù)責(zé)將生物分子的變化轉(zhuǎn)換為電信號。

“生物傳感器的廣泛開發(fā)與應(yīng)用，主要?dú)w功于生物元件對于其敏感的分析物具有很強(qiáng)的特異性，不會識別其他分析物。利用生物傳感器，可以快速、實(shí)時(shí)獲得有關(guān)分析物準(zhǔn)確可靠的信息?！痹h說。

合成生物學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了細(xì)胞生物傳感器的開發(fā)。這種生物傳感器以活細(xì)胞為生物元件，基于活細(xì)胞受體檢測細(xì)胞內(nèi)外的微環(huán)境狀況和生理參數(shù)的變化，并通過兩者之間的相互作用產(chǎn)生細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，進(jìn)一步激活不同的信號輸出模塊，從而產(chǎn)生不同的信號。

袁吉鋒介紹，從本質(zhì)上講，其他類型的生物傳感器使用的是從生物中提取出的生物元件。而基于活細(xì)胞的細(xì)胞生物傳感器是一種獨(dú)特的生物傳感器，它可以通過模擬細(xì)胞正常的生理生化變化來檢測信號。目前，這種生物傳感器已成為醫(yī)療診斷、環(huán)境分析、食品質(zhì)量控制、化學(xué)制藥工業(yè)和藥物檢測領(lǐng)域的新興工具。

“用于構(gòu)建細(xì)胞生物傳感器的生物元件包括細(xì)菌細(xì)胞、真菌細(xì)胞以及哺乳動(dòng)物細(xì)胞。我們這次所構(gòu)建的工程化酵母生物傳感器，正是基于釀酒酵母細(xì)胞所構(gòu)建的真菌細(xì)胞傳感器?！痹h說，釀酒酵母細(xì)胞用于生物傳感器的構(gòu)建，在細(xì)胞性能上具有優(yōu)勢。作為一種真核生物，釀酒酵母細(xì)胞與哺乳動(dòng)物細(xì)胞的大多數(shù)細(xì)胞特征和分子機(jī)制一致，特別是與感知和響應(yīng)環(huán)境刺激密切相關(guān)的GPCR信號通路具有極高的相似性；釀酒酵母是酵母物種中第一個(gè)基因組已完全測序的真核生物，并且遺傳修飾工具非常完備；釀酒酵母的培養(yǎng)條件簡易、培養(yǎng)成本低、生長速度快、溫度耐受范圍寬，可以通過冷凍或脫水等方式進(jìn)行儲存和運(yùn)輸，具有生物安全性。

可進(jìn)一步設(shè)計(jì)改造成檢測試紙

基于工程化酵母細(xì)胞構(gòu)建生物傳感器多年來一直是研究熱點(diǎn)。袁吉鋒團(tuán)隊(duì)此次通過人工轉(zhuǎn)錄因子，將GPCR信號通路與高效基因轉(zhuǎn)錄模塊——半乳糖調(diào)控模塊進(jìn)行耦合，在酵母生物傳感器中引入了一個(gè)額外的正反饋回路，以此來增強(qiáng)酵母生物傳感器的靈敏度和信號輸出強(qiáng)度。

袁吉鋒解釋說：“我們相當(dāng)于設(shè)計(jì)了一種正反饋放大器，讓釀酒酵母細(xì)胞中GPCR在識別到白色念珠菌的信息素信號之后，不僅能通過人工轉(zhuǎn)錄因子激活下游信號報(bào)告模塊的表達(dá)，同時(shí)還能驅(qū)動(dòng)半乳糖調(diào)控模塊自身的轉(zhuǎn)錄因子Gal4表達(dá)。兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同作用，就能持續(xù)激活和放大報(bào)告基因的輸出信號?！?/p>

數(shù)據(jù)顯示，相比于初始傳感器的性能，改造后的酵母生物傳感器的檢測限提升了4000倍，激活濃度提升了9700倍，信號輸出強(qiáng)度提升了近3倍，尤其是信號輸出的持續(xù)時(shí)間得到了明顯提升。初始傳感器在檢測使用2小時(shí)后就出現(xiàn)熒光信號的衰退，而改造后的傳感器在使用12小時(shí)后仍可產(chǎn)生明顯的熒光信號。

“此次構(gòu)建的酵母生物傳感器，可以設(shè)計(jì)成一種簡單、低成本的檢測試紙，用于檢測醫(yī)療樣本或環(huán)境樣本中的病原真菌?！痹h介紹，只需將試紙浸入待檢測液體樣本中，即可實(shí)現(xiàn)對該樣本快速靈敏和可視化的檢測。

“釀酒酵母易于遺傳改造，且具有外源GPCR較好的兼容表達(dá)能力。因此，在進(jìn)行GPCR識別受體的替換或改造后，有望制出高通量、多信號輸出的真菌檢測試紙，用于檢測食品真菌污染、人體病原真菌、植物致病真菌等。此外，這種酵母生物傳感器未來還可在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用，比如食品質(zhì)量控制、新藥研發(fā)等?！痹h說。

審核編輯：劉清