蛋白質(zhì)傳感核糖開關(guān)和無細(xì)胞核糖開關(guān)表征的設(shè)計(jì)。A 翻譯調(diào)節(jié)核糖開關(guān)模型將蛋白質(zhì)結(jié)合RNA適配體的序列，結(jié)構(gòu)和結(jié)合自由能作為輸入。該模型設(shè)計(jì)了候選核糖開關(guān)序列，以響應(yīng)蛋白質(zhì)濃度的變化，大限度地激活或抑制翻譯起始。B 核糖開關(guān)傳感器在無細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)（TX-TL）中進(jìn)行測(cè)試，加入蛋白表達(dá)質(zhì)�；蚣兓�蛋白。C Riboswitch傳感器功能的特征在于測(cè)量報(bào)告蛋白表達(dá)水平以響應(yīng)蛋白質(zhì)配體濃度的變化，同時(shí)在無適配體對(duì)照上進(jìn)行相同的測(cè)量。核糖開關(guān)活化或抑制比是通過比較報(bào)告基因表達(dá)水平（包括無適配體對(duì)照測(cè)量）來確定的，以排除非特異性相互作用。無細(xì)胞檢測(cè)測(cè)量示例包括（淺藍(lán)色）、不添加 MS2 蛋白的 MS2 傳感核糖開關(guān);（深藍(lán)色）添加了MS2表達(dá)質(zhì)粒的MS2傳感核糖開關(guān);（淺紅色）不添加MS2蛋白的無適配體對(duì)照;和（深紅色）添加MS2表達(dá)質(zhì)粒的無適配體對(duì)照。線是每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的平均mRFP1熒光水平。陰影區(qū)域是每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的95%置信區(qū)間（N = 6個(gè)生物學(xué)重復(fù)）。自然通訊 （2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-38098-0

賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種低成本的、基于RNA的技術(shù)來檢測(cè)和測(cè)量生物標(biāo)志物，這可以幫助解碼身體的生理機(jī)能。蛋白質(zhì)生物標(biāo)志物的存在可以表明慢性或急性疾病，從關(guān)節(jié)炎到癌癥再到細(xì)菌感染，常規(guī)測(cè)試的費(fèi)用從100美元到1美元不等。新技術(shù)可以以大約一美元的價(jià)格進(jìn)行相同的測(cè)量。

該團(tuán)隊(duì)在《自然通訊》上發(fā)表了他們的研究結(jié)果，結(jié)合了生物工程、化學(xué)工程和生物醫(yī)學(xué)工程副教授霍華德·薩利斯的努力;格蕾絲·韋佐，2021 年獲得賓夕法尼亞州立大學(xué)生物工程博士學(xué)位;以及 Lipika Gadila，他于 2018 年獲得賓夕法尼亞州立大學(xué)化學(xué)工程理學(xué)學(xué)士學(xué)位。

結(jié)果表明，基于RNA的傳感器可以設(shè)計(jì)用于檢測(cè)人類生物標(biāo)志物蛋白，包括參與心臟病和關(guān)節(jié)炎等慢性炎癥的單體C反應(yīng)蛋白，以及白細(xì)胞介素-32 γ，一種用于病毒或細(xì)菌感染等急性感染的信號(hào)蛋白。根據(jù)Salis的說法，這種傳感器可用于開發(fā)用于診斷測(cè)試的設(shè)備。

“這些測(cè)試可以幫助臨床醫(yī)生診斷患者，但在幾周內(nèi)定期進(jìn)行多種生物標(biāo)志物測(cè)量更具信息性，”Salis說。“現(xiàn)在，一項(xiàng)測(cè)試可能很昂貴，而且它們加起來。借助我們基于 RNA 的新技術(shù)，現(xiàn)在可以以更少的成本進(jìn)行相同的測(cè)量。

該技術(shù)是無細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)和稱為核糖開關(guān)的工程化基于RNA的傳感器的組合。無細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)包含讀取DNA和產(chǎn)生蛋白質(zhì)的細(xì)胞機(jī)制，但它們不受細(xì)胞膜的限制，允許大塊蛋白質(zhì)自由進(jìn)入。

核糖開關(guān)被設(shè)計(jì)成與生物標(biāo)志物蛋白結(jié)合并調(diào)節(jié)可觀察信號(hào)的激活或抑制。核糖開關(guān)本身由DNA指令在無細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生�？偟膩碚f，這些材料的成本約為每次反應(yīng)的一美元。

根據(jù)Salis的說法，這是研究人員首次設(shè)計(jì)出核糖開關(guān)傳感器來檢測(cè)生物標(biāo)志物蛋白。他說，挑戰(zhàn)在于找出好的DNA指令來產(chǎn)生靈敏的蛋白質(zhì)傳感器。

“過去設(shè)計(jì)這種核糖開關(guān)傳感器的努力在很大程度上依賴于試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，例如，構(gòu)建和表征大型隨機(jī)文庫以識(shí)別有效的核糖開關(guān)變體 - 遺傳藍(lán)圖和適配體，”Salis說�！敖Y(jié)合熱力學(xué)建模和計(jì)算優(yōu)化，我們合理地設(shè)計(jì)了新的核糖開關(guān)，這些核糖開關(guān)被預(yù)測(cè)為良好的蛋白質(zhì)傳感器，然后我們對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。我們的設(shè)計(jì)算法稱為Riboswitch計(jì)算器。

Salis和研究人員測(cè)試了他們的新技術(shù)來檢測(cè)三種蛋白質(zhì)：MS2，一種在細(xì)菌噬菌體中發(fā)現(xiàn)的小蛋白質(zhì)，作為原理驗(yàn)證測(cè)試;以及醫(yī)學(xué)相關(guān)的生物標(biāo)志物人單體C反應(yīng)蛋白和人白細(xì)胞介素-32γ。研究人員設(shè)計(jì)了32個(gè)核糖開關(guān)，其中大多數(shù)成功感知了它們的靶蛋白。

“目前的檢測(cè)需要昂貴的檢測(cè)試劑，昂貴而笨重的儀器，樣品冷鏈儲(chǔ)存和分配以及訓(xùn)練有素的人員，”Salis說。“通過應(yīng)用建模和計(jì)算設(shè)計(jì)，我們?cè)O(shè)計(jì)了可以冷凍干燥和再水化的低成本蛋白質(zhì)傳感器。下一步是開發(fā)一種易于使用的設(shè)備，允許研究人員和臨床醫(yī)生使用這項(xiàng)新技術(shù)。

更多信息：Grace E. Vezeau等人，用于檢測(cè)無細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)中人類生物標(biāo)志物的蛋白質(zhì)結(jié)合核糖開關(guān)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，Nature Communications（2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-38098-0 

期刊信息：自然通訊