由Duke大學醫學研究中心的生化學家Homme Hellinga率領的研究小組最近成功開發了一項新技術，利用該技術可以將蛋白質修飾為對某些化學物質具有高特異性、高敏感性的生化感測器。這些修飾蛋白一旦與電極相連就會產生對某混合物中特定的化學物質產生反映該物質濃度和特性的電信號。據此可以探測某些化學成分並精確計算該物質的濃度水平。
基本介紹
- 中文名：蛋白感測器
- 研發：Homme Hellinga
- 方法：將蛋白質修飾
- 特點：高特異性、高敏感性
簡介,專家說明,系統的適應性強,論文描述,“鉸鏈摺疊”機制的通用性,前景展望,
簡介
以前已經有利用修飾加工蛋白質成功探測血糖及啤酒中麥芽糖的相關報導，這充分說明此類蛋白質能夠將某些特定生物分子從某混合物中挑選出來，並且並不對該混合物中的其他成分造成任何不良影響。
專家說明
Hellinga認為由於這些修飾蛋白作用非常強大並具有高特異性的特點，相信這些特異蛋白的問世將為開發大量的化學探測器提供重要物質基礎。僅就醫學用途而言，可以預測利用某一集大量此類生化感測器的微小生化晶片，在病人床邊藉助一滴血液臨床醫生就完全能夠直接迅速地測出患者體內某藥的血藥濃度或其他如血糖之類的代謝產物的水平。還比如，麻醉醫生利用此類生物感測器就可以隨時監測術中病人體內麻藥的濃度變化，以及諸如腎上腺素之類的重要代謝物質的水平而不必再依靠準確度較差的檢測指標。因此，這些生物感測器的開發成功，在很多情況下將會使許多昂貴的實驗室檢查以及費時的所謂臨床分析技術被這些生化感測器所代替而逐漸成為歷史。而且，Hellinga先生還進一步指出，藉助於可植入式血糖感測器就可以持續檢測糖尿病患者的血糖水平並可為人工胰提供長期功能監測。此外，Hellinga博士還預言此類生化感測器將來還會在監測污染源以及生化武器等有害物質方面大有用途。
系統的適應性強
Hellinga先生強調，該檢測系統具有很強的適應性。他說：“這些修飾蛋白是以細菌賴以檢測周圍化學環境的特異蛋白質為基礎開發出來的，由於自然界化學物質不計其數，這就決定了細菌蛋白檢測系統種類的多樣性，而另一方面也就為成千上萬生物感測器的誕生提供了物質基礎。藉助於我們自行研製的功能強大的計算機輔助設計工具，將這些種類眾多的研究對象加以修飾加工，使之成為高特異性及高敏感性的蛋白生化感測器完全可能。”
“而且，其他生物感測器與之相比，就顯得不僅操作複雜而且效用低下，那些檢測系統一般都是依靠酶促反應來完成的，需要監測化學反應的反應物及生成物，並需隨時補充消耗的化學物質；加之那些生化感測器在很大程度上都依賴於天然蛋白質，這就大大限制了其適應性。我們開發的修飾蛋白感測器不僅具有很好的適應性，而且這些修飾蛋白可以認為都是生物成分與電子成分的穩固組合。”Hellinga補充道。
論文描述
在發表的論文中，Hellinga及其合作者描述了他們如何以一種稱之為“細菌胞質結合蛋白”的細菌蛋白質為研究對象開始進行研究的詳細過程。那些細菌蛋白質族是由許多位於細菌表面的“超家族”蛋白質組成的。這些超家族蛋白就是細菌用來尋找諸如葡萄糖等食物資源以及躲避有毒物質的高效特異感測器。
除了他們廣泛的可變性以外，這些蛋白質主要的特點為它們的功能活性區域是與細菌傳遞代謝信號的特定結構域變構耦合在一起的。這樣內部信號變化就可以直接觸發諸如細菌向食物源移動的生物活動。所謂變構耦合現象就是指蛋白質的兩個彼此獨立的不同結構域，其中一個可以在不影響另一個結構域的情況下自身發生劇烈變化。尤其是細菌蛋白質的功能活動就如鉸鏈一般，當化學靶物質一旦與其活性部位結合，該鉸鏈就會併攏，從而觸發產生遠處的代謝信號。“稱之為鉸鏈摺疊運動很容易令人理解，也較好操作”Hellinga解釋說。例如，在一項實驗中，科研人員改變了細菌麥芽糖結合蛋白的活性部位，使之與釕金屬離子結合部位耦合在一起，當該離子結構域一旦發生改變就會產生電壓變化。因此，在加入麥芽糖使該蛋白的結構發生變構的同時，就會產生麥芽糖濃度依賴性電流變化。
“鉸鏈摺疊”機制的通用性
為了更好地解釋他們“鉸鏈摺疊”機制的通用性，科研人員又套用與葡萄糖及谷醯胺產生特異反應的其他蛋白質研製出了另外的生物電感測器。此外，為充分說明他們開發的這一檢測系統的適應性，他們從根本上又重新設計了麥芽糖結合活性部位以便使其與鋅探測器結合。
最後為了證實他們開發的生物感測器探測特定物質的獨立性，他們演示了利用其生物電感測器特異性測定啤酒中麥芽糖濃度及人血漿中血糖濃度的試驗過程。
前景展望
Hellinga先生對該系統的套用前景充滿了信心，他堅信已開展的真實的具體實踐，已經充分證實了該系統無與倫比的高效性及特異性。
