一种合成生物传感器可以模拟细胞膜中的特性，并提供活动的电子读数，这可能有助于更好地理解细胞生物学、开发新药，并在芯片上创造出能够探测化学物质的感觉器官，类似于鼻子和舌头的工作原理。

1月18日，美国化学学会的《合成生物学》杂志发表了一项名为“Cell-Free Synthesis Goes Electric: Dual Optical and Electronic Biosensor vie Direct Channel Integration into a Supported Membrane Electrode,”的研究。

论文中描述的生物工程壮举使用合成生物学来重新创造细胞膜及其嵌入的蛋白质，这些蛋白质是细胞功能的看门人。当蛋白质被激活时，导电传感平台允许电子读数。能够测试一个分子是否以及如何与细胞膜上的蛋白质发生反应可以产生许多应用。

但将膜蛋白植入传感器一直是出了名的困难，直到该研究的作者将生物电子传感器与合成蛋白质的新方法结合起来。

第一作者Zachary Manzer说:“这项技术确实允许我们以一种非常具有挑战性的方式研究这些蛋白质，如果不是不可能的话，用目前的技术。”他是资深作者Susan Daniel实验室的博士生，Fred H. Rhodes教授和康奈尔工程Robert Frederick Smith化学和生物分子工程学院的主任。

细胞膜内的蛋白质有许多重要的功能，包括与环境通信，催化化学反应，以及在细胞膜上移动化合物和离子。当膜蛋白受体被激活时，带电离子穿过膜通道，触发细胞内的一种功能。例如，当神经信号发出带电的钙离子通道打开时，大脑神经元或肌肉细胞会放电。

研究人员创造了一种生物传感器，它以一种导电聚合物开始，这种聚合物很软，易于使用，在一个支撑之上，它们一起充当一个由计算机监控的电路。形成膜的一层脂质分子位于聚合物的顶部，感兴趣的蛋白质被放置在脂质中。

在这个概念的证明中，研究人员创造了一个无细胞平台，允许他们直接将模型蛋白合成到这种人造膜中。该系统具有内置的双读出技术。由于传感器的组件是透明的，研究人员可以使用光学技术，例如工程蛋白质在激活时发出荧光，这使科学家可以通过显微镜研究基本原理，并观察蛋白质本身在细胞过程中发生了什么。他们还可以记录电子活动，通过巧妙的电路设计来观察蛋白质是如何运作的。

丹尼尔说:“这真的是第一次将跨膜蛋白的无细胞合成转化为生物传感器。”“我们没有理由不能在这个通用平台上表达许多不同种类的蛋白质。”

目前，研究人员已经将从活细胞中培养和提取的蛋白质用于类似的应用，但鉴于这一进展，用户不必在细胞中培养蛋白质，然后将其收获并嵌入膜平台。相反，他们可以直接从蛋白质的基本模板DNA合成它们。

“我们可以绕过细胞作为生产蛋白质的工厂的整个过程，”丹尼尔说，“我们自己进行蛋白质的生物制造。”

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能会让潜在的治疗分子穿过该蛋白质，观察它如何反应。或者，希望制造环境传感器的科学家可以在平台上放置一种对化学物质或污染物敏感的特定蛋白质，比如湖水中的化学物质或污染物。

Manzer说:“试想一下你的鼻子或舌头，每当你闻到或尝到某种东西时，离子通道就会放电。”科学家们现在可能会利用我们闻到某种物质时被激活的蛋白质，并将结果转化为电子系统，以感知化学传感器无法检测到的东西。”

这种新型传感器为药理学家研究如何制造非阿片类止痛药，或治疗阿尔茨海默病或帕金森病的药物打开了大门，这些药物与细胞膜蛋白相互作用。

丹尼尔实验室的博士后研究员Surajit Ghosh是共同第一作者。西北大学生物医学工程助理教授Neha Kamat是这篇论文的高级合著者。

这项研究由美国国家科学基金会、空军科学研究办公室、美国心脏协会、国家综合医学科学研究所和国防高级研究计划局资助。