工程师报告了低成本的人类生物标志物传感器设计

宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了一种低成本、基于RNA的技术来检测和测量生物标志物，这可以帮助解码人体的生理机能。蛋白质生物标志物的存在可以指示慢性或急性疾病，从关节炎到癌症再到细菌感染，常规测试的费用从100美元到1,000美元以上不等。新技术可以以大约一美元的价格进行相同的测量。

该团队结合生物工程、化学工程和生物医学工程副教授HowardSalis的努力，在NatureCommunications上发表了他们的成果;GraceVezeau，2021年获得宾夕法尼亚州立大学生物工程博士学位;和LipikaGadila，她于2018年在宾夕法尼亚州立大学获得化学工程理学学士学位。

结果表明，基于RNA的传感器可以设计用于检测人类生物标志物蛋白，包括单体C反应蛋白(与心脏病和关节炎等慢性炎症有关)和白细胞介素32γ(一种用于急性感染的信号蛋白)如病毒或细菌感染。根据Salis的说法，此类传感器可用于开发诊断测试设备。

“这些测试可以帮助临床医生诊断患者，但在几周内定期进行多种生物标志物测量会提供更多信息，”Salis说。“现在，一次测试可能很昂贵，而且它们加起来。有了我们基于RNA的新技术，现在可以用更少的钱进行相同的测量。”

该技术结合了无细胞表达系统和基于RNA的工程传感器(称为核糖开关)。无细胞表达系统包含读取DNA和产生蛋白质的细胞机制，但它们不受细胞膜的限制，允许大体积蛋白质自由进入。

核糖开关被设计成与生物标志物蛋白结合并调节可观察到的信号的激活或抑制。核糖开关本身是根据DNA指令在无细胞表达系统内产生的。总而言之，这些材料的成本约为每次反应一美元。

根据Salis的说法，这是研究人员首次设计出核糖开关传感器来检测生物标记蛋白。他说，挑战在于找出最好的DNA指令来生成最灵敏的蛋白质传感器。

“过去设计此类核糖开关传感器的努力主要依赖于反复试验，例如，构建和表征大型随机文库以识别效果最好的核糖开关变体-遗传蓝图和适体，”Salis说。“通过结合热力学建模和计算优化，我们合理地设计了新的核糖开关，预计它们将成为出色的蛋白质传感器，然后我们对它们进行了测试。我们的设计算法称为核糖开关计算器。”

Salis和研究人员测试了他们的新技术以检测三种蛋白质：MS2，一种在细菌噬菌体中发现的小蛋白质，作为原理验证测试;以及医学相关的生物标志物人单体C反应蛋白和人白细胞介素32γ。研究人员设计了32个核糖开关，其中大部分成功地感知了它们的目标蛋白质。

“目前的检测需要昂贵的检测试剂、昂贵且笨重的仪器、样品冷链储存和分配以及训练有素的人员，”Salis说。“通过应用建模和计算设计，我们设计了可以冷冻干燥和再水化的低成本蛋白质传感器。下一步是开发一种易于使用的设备，使研究人员和临床医生能够使用这项新技术。”