新策略产生用于感测各种分子的定制设计蛋白质

生物传感器是合成生物学中的强大工具，用于工程代谢途径或控制细菌中的合成和天然遗传回路。科学家们很难开发一种方法来设计能够精确感知和报告特定分子存在的“设计者”生物传感器蛋白质，这种方法迄今为止限制了能够精确调节细胞新陈代谢，细胞生物学和合成的生物传感器设计的数量和种类。基因电路。

但哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和哈佛医学院(HMS)的团队在Nature Methods上发表的一项新研究利用计算蛋白质设计，体外合成和体内试验相结合的方法，建立了首个此类研究识别定制生物传感器的策略。

“我们开发可定制生物传感器的最初动机是获得代谢工程的生死反馈循环，”乔治教会博士，Wyss研究所核心教员，HMS遗传学教授，健康科学与技术教授哈佛大学和麻省理工学院(MIT)，以及该研究的资深作者。“这基本上可以让我们'在类固醇上进行达尔文进化'，其中基因编程输出理想商品分子的细菌菌落将迅速变得更有效率，因为只有最好的代谢产物才会'自我识别'才能生存。 “

“这一进步代表了我们通过开采生产有用分子的新途径来获取生物圈化学多样性的一种强有力的新途径”，Srivatsan Raman博士说，他曾是Wyss研究所和HMS的博士后研究员，现任助理威斯康星大学麦迪逊分校生物化学教授，该研究的通讯作者。

为了开发该方法，研究人员选择了来自大肠杆菌的称为LacI的天然调节蛋白作为其测试用例。LacI是变构转录因子(aTF)，其响应于感测细菌环境中的“诱导物”代谢物或分子而变得活跃，从而触发下游基因的表达。使用LacI，该团队着手开发一个框架，用于重新设计新的生物传感器变体，这些变体可以响应四种不能被天然大肠杆菌代谢的诱导分子(乳糖醇，三氯蔗糖，龙胆二糖和岩藻糖)。例如，三氯蔗糖是一种完全合成的糖分子，作为Splenda商业销售。

为了合成和鉴定用于感知这四种新诱导物的定制LacI变体，该团队设计了一种新的工作流程，其中结合了组合合成策略，该策略依赖于计算蛋白质设计和Wyss Institute的定制DNA合成资源来构建潜在新的变体库。生物传感器设计包括数十万种突变的LacI蛋白。

然后，为了鉴定对所关注的四种目标分子具有最特异性反应的变体，该团队设计了大肠杆菌细菌群，以在检测到所需分子时表达绿色荧光蛋白(GFP)，从而使细菌发荧光。在工程大肠杆菌中对传感器文库进行高通量体内筛选，该团队通过高荧光鉴定出最有效的变体，然后将其过滤出来并对其进行遗传测序，以揭示DNA图谱和设计图，将aTF转化为定制的传感器具有高度特异性。

结果令人惊讶的是，使用这种方法可以识别优化的工程化aTF传感器用于感测任何任意分子，通过将变构蛋白质置于遗传工程师的控制之下，在合成生物学中打开新的大门。

“我们选择重新设计成定制生物传感器的LacI蛋白只是自然界中存在的数千种不同变构转录因子中的一种，”Wyss Institute的研究员诺亚泰勒说，他最近完成了他的博士学位。在HMS的生物和生物医学科学，以及该研究的第一作者。“只使用序列和结构信息来设计LacI的能力表明我们可以找到数十，数百甚至数千种其他响应不同分子的生物传感器。”

使用该方法构建的生物传感器提供关于细胞内存在多少代谢物的反馈。代谢工程细菌可以配备这些定制的aTF，使他们能够监测他们自己生产的所需化学品，药物或生物燃料。这允许复杂的设计，其中缺乏足够的产品可能导致单个细胞死亡，从而将其从培养物中消除。通过这种方式，可以利用强大的进化方法进行代谢工程。

细胞内代谢物的敏感检测也为科学家询问单细胞的方式提供了新的范例。到目前为止，研究单个细胞的代谢状态一直非常具有挑战性。但设计师生物传感器可以用作感兴趣的代谢物的定制响应者，从而可以近乎实时地洞察活细胞的代谢状态。

“我们现在正在利用这种方法为各种高价值目标找到生物传感器，特别是那些有助于保护环境的目标，”该研究的共同作者，Wyss研究所的研究员，亚历山大加鲁斯说。和博士学位 HMS的生物信息学和整合基因组学的候选人。

除了测量细胞内的代谢物外，组合合成方法还为设计无数新型和高度特异性的生物传感器铺平了道路，这些传感器适用于环境监测，医学诊断，生物修复和精确基因治疗等新应用。

“该团队为几乎任何分子设计定制生物传感器的能力是另一个胜利，展示了合成生物学的力量，以及它能够产生有价值的新工具来推进医学和保护我们的环境，”Wyss研究所创始主任Donald Ingber博士说。同时也是哈佛医学院血管生物学的Judah Folkman教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目和哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院的生物工程教授。