科學家開發人工蛋白質-蛋白質通訊系統，兼具高靈敏度和可調動態範圍

發展快速靈敏的檢測方法對於保障環境安全、食品安全和公共衛生至關重要，能夠及時發現和應對各類風險，防止危害擴散。

近年來，學界通過在體外模擬與重建微生物中天然存在的感應回路，開發了無細胞生物傳感系統。無細胞生物傳感系統具有開放、靈活的優點，在重要代謝產物與環境汙染物檢測等方面顯示了良好的應用潛力。

然而，無細胞生物傳感系統依然採用天然的感應回路機制，必須依賴轉錄因子（TFs，Transcription Factors）與 RNA 聚合酶之間的天然蛋白通訊機制，並通過轉錄翻譯（TXTL，Transcription-Translation）過程完成生物元件的表達與功能執行。

因此，儘管其具有諸多優勢，但在實際應用中仍面臨以下挑戰：

（1）響應速度慢。基於 TF-RNA 聚合酶通訊的系統通常需要數小時才能產生響應信號，這限制了其在需要快速檢測場景中的應用。

（2）系統複雜性高。TXTL 系統需要多酶級聯反應、多種輔因子、眾多合成底物以及複雜的細胞裂解液成分，這不僅增加了系統的構建和優化難度，還導致其穩定性較差。

（3）便攜性和現場檢測能力不足。該系統依賴專業實驗室儀器設備進行信號檢測，難以滿足快速、現場檢測的需求。

綜上所述，如何提高無細胞生物傳感系統的響應速度、簡化系統複雜性並增強其便攜性和現場檢測能力，已成為當前研究的重點方向。

為解決上述無細胞生物傳感系統中存在的問題，需要創新生物傳感機制，突破天然感應機制對複雜轉錄翻譯過程的依賴。

為此，湖南大學雷春陽教授和聶舟教授團隊開發了一種配體響應的人工蛋白質-蛋白質通訊系統（LIRAC，ligand-responsive artificial protein-protein communication），有效解決了當前無細胞生物傳感系統中因天然轉錄翻譯範式導致的系統複雜性和反應時間長等問題。

這一課題的主要成果如下：

（1）實現新型蛋白通訊系統的設計：通過合理設計嵌合 DNA 適配器（cDNA，Chimeric DNA），成功建立了轉錄因子與 CRISPR/Cas 酶之間的直接通訊。在自然界中，這兩種蛋白質並無直接相互作用，而本研究通過人工設計實現了它們之間的高效通訊。

（2）實現快速響應能力：LIRAC 系統能夠在 10 分鐘內完成檢測，相比傳統的轉錄翻譯系統（通常需要數小時），顯著提高了響應速度。

（3）實現高靈敏度和可調動態範圍：通過精確調控 cDNA 與兩種蛋白質的結合親和力，LIRAC 系統不僅提高了檢測靈敏度，還能夠根據實際應用需求靈活調整動態範圍。

（4）實現多功能性和可編程性：該系統能夠檢測多種化學物質，包括抗生素、重金屬離子和防腐劑，並且可以通過多蛋白質通訊實現對多種化學物質的同時檢測，展現出良好的多功能性和可編程性。

（5）實現便攜式設備與試紙條的開發：結合 LIRAC 系統與便攜式螢光檢測設備及可視化試紙條，實現了環境水樣中重金屬離子和個人護理產品中防腐劑的快速、靈敏分析。

LIRAC 系統的開發為生物傳感技術帶來了新的可能性，其潛在應用領域涵蓋環境監測、食品安全等多個重要領域。

在環境監測方面，LIRAC 系統可用於快速檢測環境水樣中的重金屬離子（如銅離子）、抗生素及其他汙染物。其快速響應能力使其能夠在現場快速提供檢測結果，幫助環境監測人員及時採取措施。此外，當與便攜式螢光檢測設備集成時，LIRAC 系統可實現對環境樣本的即時檢測，無需依賴複雜的實驗室設備。

在食品安全方面，LIRAC 系統能夠檢測個人護理產品中的防腐劑（如尼泊金酯），並且可擴展應用於食品中防腐劑的檢測，從而確保食品安全。通過與側流層析試紙條結合，LIRAC 系統可實現對食品中化學添加劑的快速、可視化檢測，適用於現場篩查。

雷春陽表示，是一次意外實驗促成了本次研究的關鍵解決方案。在利用 CRISPR/Cas12a 系統進行信號報告時，他們一直採用化學合成的引導 RNA，但背景泄漏問題始終難以解決。

一次實驗中，論文第一作者王珂博士嘗試使用體外轉錄方法生成 RNA，結果意外地發現背景信號很低。經過反復驗證和深入研究，研究團隊發現這種現象並非偶然，其關鍵在於體系中存在轉錄模板 DNA。結合對 CRISPR/Cas12a 工作機制的理解，課題組提出了基於競爭性抑制的誘餌 DNA 方案，成功解決了長期困擾他們的背景泄漏難題。

與此同時，分工合作顯著提高了工作效率。該研究不僅涉及生化檢測實驗，還涵蓋了課題組所不擅長的單分子實驗和便攜式裝置開發等。在初始階段，研究團隊嘗試在自己的實驗室解決這些問題，但是進展緩慢。

後來，研究團隊改變思路，尋找專業合作者。在他們的幫助下，課題組迅速攻克了跨學科研究中的一系列技術難題。原本可能需要數月才能完成的工作，在他們的高效協作下，僅用了幾週時間就取得了顯著進展。

日前，相關論文以《配體響應性人工蛋白質-蛋白質通信用於現場部署的細胞外生物傳感》（Ligand-Responsive Artificial Protein–Protein Communication for Field-Deployable Cell-Free Biosensing）為題發在 Angewandte Chemie[1]，王珂是第一作者，湖南大學化學生物傳感全國重點實驗雷春陽教授和聶舟教授為共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Angewandte Chemie）

據介紹，LIRAC 系統具有良好的擴展性，可適配多種轉錄因子，實現對不同類型分析物的快速、靈敏檢測。未來，研究團隊計劃結合定向進化技術和人工蛋白設計方法，對轉錄因子進行改造與優化，甚至按需設計轉錄因子，進一步拓展 LIRAC 系統的應用範圍，將其發展為一種通用性生物分析平台。

參考資料：

1.Wang, K., Liu, S., Zhou, S., Qileng, A., Wang, D., Liu, Y., … & Nie, Z. (2025). Ligand‐Responsive Artificial Protein–Protein Communication for Field‐Deployable Cell‐Free Biosensing. Angewandte Chemie, 137(4), e202416671.

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