蛋白質(zhì)傳感核糖開關(guān)和無細胞核糖開關(guān)表征的設計。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。該模型設計了候選核糖開關(guān)序列，以響應蛋白質(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)傳感器在無細胞表達系統(tǒng)（TX-TL）中進行測試，加入蛋白表達質(zhì)粒或純化蛋白。C Riboswitch傳感器功能的特征在于測量報告蛋白表達水平以響應蛋白質(zhì)配體濃度的變化，同時在無適配體對照上進行相同的測量。核糖開關(guān)活化或抑制比是通過比較報告基因表達水平（包括無適配體對照測量）來確定的，以排除非特異性相互作用。無細胞檢測測量示例包括（淺藍色）、不添加 MS2 蛋白的 MS2 傳感核糖開關(guān);（深藍色）添加了MS2表達質(zhì)粒的MS2傳感核糖開關(guān);（淺紅色）不添加MS2蛋白的無適配體對照;和（深紅色）添加MS2表達質(zhì)粒的無適配體對照。線是每個時間點的平均mRFP1熒光水平。陰影區(qū)域是每個時間點的95%置信區(qū)間（N = 6個生物學重復）。自然通訊 （2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-38098-0

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

該團隊在《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、化學工程和生物醫(yī)學工程副教授霍華德·薩利斯的努力;格蕾絲·韋佐，2021 年獲得賓夕法尼亞州立大學生物工程博士學位;以及 Lipika Gadila，他于 2018 年獲得賓夕法尼亞州立大學化學工程理學學士學位。

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

“這些測試可以幫助臨床醫(yī)生診斷患者，但在幾周內(nèi)定期進行多種生物標志物測量更具信息性，”Salis說�！艾F(xiàn)在，一項測試可能很昂貴，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行相同的測量。

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

核糖開關(guān)被設計成與生物標志物蛋白結(jié)合并調(diào)節(jié)可觀察信號的激活或抑制。核糖開關(guān)本身由DNA指令在無細胞表達系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生。總的來說，這些材料的成本約為每次反應的一美元。

根據(jù)Salis的說法，這是研究人員首次設計出核糖開關(guān)傳感器來檢測生物標志物蛋白。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。

“過去設計這種核糖開關(guān)傳感器的努力在很大程度上依賴于試錯實驗，例如，構(gòu)建和表征大型隨機文庫以識別有效的核糖開關(guān)變體 - 遺傳藍圖和適配體，”Salis說。“結(jié)合熱力學建模和計算優(yōu)化，我們合理地設計了新的核糖開關(guān)，這些核糖開關(guān)被預測為良好的蛋白質(zhì)傳感器，然后我們對其進行了測試。我們的設計算法稱為Riboswitch計算器。

Salis和研究人員測試了他們的新技術(shù)來檢測三種蛋白質(zhì)：MS2，一種在細菌噬菌體中發(fā)現(xiàn)的小蛋白質(zhì)，作為原理驗證測試;以及醫(yī)學相關(guān)的生物標志物人單體C反應蛋白和人白細胞介素-32γ。研究人員設計了32個核糖開關(guān)，其中大多數(shù)成功感知了它們的靶蛋白。

“目前的檢測需要昂貴的檢測試劑，昂貴而笨重的儀器，樣品冷鏈儲存和分配以及訓練有素的人員，”Salis說�！巴ㄟ^應用建模和計算設計，我們設計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)一種易于使用的設備，允許研究人員和臨床醫(yī)生使用這項新技術(shù)。

更多信息：Grace E. Vezeau等人，用于檢測無細胞表達系統(tǒng)中人類生物標志物的蛋白質(zhì)結(jié)合核糖開關(guān)的自動化設計，Nature Communications（2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-38098-0 

期刊信息：自然通訊