麻省理工学院领导的一个团队设计了一种传感器，可以部署用于筛查患者难以诊断的癌症或转移性肿瘤。该装置从围绕所有细胞的膜中汲取灵感。学分：麻省理工学院研究人员

从自然感觉系统中汲取灵感，麻省理工学院领导的一个团队设计了一种新型传感器，可以检测天然存在的细胞受体可以识别的相同分子。

在结合几种新技术的工作中，研究人员创造了一种原型传感器，可以检测一种名为CXCL12的免疫分子，低至十亿分之数十或数百。研究人员说，这是开发一种系统的重要第一步，该系统可用于对难以诊断的癌症或转移性肿瘤进行常规筛查，或作为高度仿生的电子“鼻子”。

“我们希望开发一种简单的设备，让您进行家庭测试，具有高特异性和灵敏度。越早发现癌症，治疗就越好，因此癌症的早期诊断是我们想要进入的一个重要领域，“麻省理工学院媒体实验室的首席研究科学家张曙光说。

该装置从围绕所有细胞的膜中汲取灵感。在这样的膜内有数千种受体蛋白，它们检测环境中的分子。麻省理工学院的研究小组修改了其中一些蛋白质，使它们能够在膜外存活，并将它们锚定在石墨烯晶体管阵列上的一层结晶蛋白质中。当在样品中检测到目标分子时，这些晶体管将信息中继到计算机或智能手机。

研究人员说，这种类型的传感器可能适用于分析任何体液，如血液，眼泪或唾液，并且可以同时筛选许多不同的靶标，具体取决于所使用的受体蛋白的类型。

“我们识别来自生物系统的关键受体，并将它们锚定在生物电子界面上，使我们能够收集所有这些生物信号，然后将它们转换为可以通过机器学习算法分析和解释的电输出，”前麻省理工学院研究科学家、现任上海交通大学副教授瑞青说。

Qing和MantianXue博士是该研究的主要作者，该研究发表在ScienceAdvances上。与Zhang一起，麻省理工学院微系统实验室主任，电气工程和计算机科学教授TomásPalacios和维也纳自然资源与生命科学大学合成生物架构研究所名誉教授UweSleytr是该论文的资深作者。

不含膜

目前大多数诊断传感器都基于抗体或适配体（DNA或RNA的短链），可以从血液等液体中捕获特定的靶分子。然而，这两种方法都有局限性：适配体很容易被体液分解，制造抗体以使每批产品都相同可能很困难。

科学家们探索的一种替代方法是基于细胞膜中发现的受体蛋白构建传感器，细胞用它来监测和响应其环境。人类基因组编码数千个这样的受体。然而，这些受体蛋白很难使用，因为一旦从细胞膜中去除，它们只有在悬浮在洗涤剂中时才保持其结构。

年，张、清等人报道了一种将疏水蛋白转化为水溶性蛋白的新方法，即用亲水性氨基酸代替一些疏水性氨基酸。这种方法被称为QTY代码，以代表三种亲水性氨基酸（谷氨酰胺，苏氨酸和酪氨酸）的字母命名，它们取代了疏水性氨基酸亮氨酸，异亮氨酸，缬氨酸和苯丙氨酸。

这张照片显示了测试设置。传感器在左侧，它连接到一个小电路板。一条长条将其连接到一个更大的手机大小的电路板，里面装在塑料中。学分：麻省理工学院研究人员

“几十年来，人们一直试图使用受体进行传感，但广泛使用具有挑战性，因为受体需要洗涤剂来保持稳定。我们方法的新颖之处在于我们可以使它们水溶性，并且可以大量生产它们，价格低廉，“张说。

Zhang和Sleytr是长期合作者，他们决定合作，尝试使用Sleytr研究多年的细菌蛋白将受体蛋白的水溶性版本附着在表面上。这些蛋白质被称为S层蛋白，在许多类型的细菌和古细菌中被发现是细胞包膜的最外表层。

当S层蛋白结晶时，它们在表面上形成相干单分子阵列。Sleytr之前已经证明，这些蛋白质可以与其他蛋白质如抗体或酶融合。

在这项研究中，研究人员，包括资深科学家AndreasBreitwieser，也是该论文的合著者，使用S层蛋白创建了一个非常致密的固定化片，一种名为CXCR4的受体蛋白的水溶性版本。该受体与一种名为CXCL12的靶分子结合，该分子在包括癌症在内的几种人类疾病中起重要作用，并与负责病毒进入人体细胞的HIV外壳糖蛋白结合。

“我们使用这些S层系统允许所有这些功能分子以非常明确的分布和方向附着在单分子阵列中的表面上，”Sleytr说。“这就像一个棋盘，你可以非常精确地排列不同的棋子。

研究人员将他们的传感技术命名为RESENSA（受体S层电纳米传感阵列）。

仿生学灵敏度

这些结晶的S层几乎可以沉积到任何表面上。对于这种应用，研究人员将S层连接到带有石墨烯的晶体管阵列的芯片上，该芯片是Palacios实验室先前开发的。石墨烯晶体管的单原子厚度使其成为开发高灵敏度探测器的理想选择。

在Palacios的实验室工作，Xue对芯片进行了调整，使其可以涂有双层蛋白质-附着在水溶性受体蛋白质上的结晶S层蛋白质。当样品中的靶分子与受体蛋白结合时，靶标的电荷会改变石墨烯的电性质，这种方式可以很容易地量化并传输到连接到芯片的计算机或智能手机。

“我们选择石墨烯作为换能器材料，因为它具有出色的电性能，这意味着它可以更好地转换这些信号。它具有最高的表面体积比，因为它是一片碳原子，因此由蛋白质结合事件引起的表面的每个变化都直接转化为整个材料，“薛说。

石墨烯晶体管芯片可以向上涂覆密度为每平方厘米1万亿个受体的S层受体蛋白。这使得芯片能够利用受体蛋白提供的最大灵敏度，在人体中靶分析物的临床相关范围内。

研究人员说，阵列芯片集成了多个设备，在信号检测中提供了冗余，即使在罕见分子的情况下也有助于确保可靠的测量，例如那些可能揭示早期肿瘤存在或阿尔茨海默病发作的分子。

研究人员说，由于使用了QTY代码，可以修改自然存在的受体蛋白，然后可以使用这些受体蛋白在单个芯片中生成一系列传感器，以筛选细胞可以检测到的几乎任何分子。“我们的目标是开发基本技术，使未来的便携式设备能够与手机和计算机集成，这样您就可以在家中进行测试并快速确定是否应该去看医生，”青说。

更多信息：睿青等，具有膜受体双单层探针和石墨烯晶体管阵列的可扩展仿生传感系统，科学进展（）。DOI：10./sciadv.adf.

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