蛋白质传感核糖开关和无细胞核糖开关表征的设计。A 翻译调节核糖开关模型将蛋白质结合RNA适配体的序列，结构和结合自由能作为输入。该模型设计了候选核糖开关序列，以响应蛋白质浓度的变化，大限度地激活或抑制翻译起始。B 核糖开关传感器在无细胞表达系统（TX-TL）中进行测试，加入蛋白表达质粒或纯化蛋白。C Riboswitch传感器功能的特征在于测量报告蛋白表达水平以响应蛋白质配体浓度的变化，同时在无适配体对照上进行相同的测量。核糖开关活化或抑制比是通过比较报告基因表达水平（包括无适配体对照测量）来确定的，以排除非特异性相互作用。无细胞检测测量示例包括（浅蓝色）、不添加 MS2 蛋白的 MS2 传感核糖开关;（深蓝色）添加了MS2表达质粒的MS2传感核糖开关;（浅红色）不添加MS2蛋白的无适配体对照;和（深红色）添加MS2表达质粒的无适配体对照。线是每个时间点的平均mRFP1荧光水平。阴影区域是每个时间点的95%置信区间（N = 6个生物学重复）。自然通讯 （2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-38098-0
宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了一种低成本的、基于RNA的技术来检测和测量生物标志物，这可以帮助解码身体的生理机能。蛋白质生物标志物的存在可以表明慢性或急性疾病，从关节炎到癌症再到细菌感染，常规测试的费用从100美元到1美元不等。新技术可以以大约一美元的价格进行相同的测量。
该团队在《自然通讯》上发表了他们的研究结果，结合了生物工程、化学工程和生物医学工程副教授霍华德·萨利斯的努力;格蕾丝·韦佐，2021 年获得宾夕法尼亚州立大学生物工程博士学位;以及 Lipika Gadila，他于 2018 年获得宾夕法尼亚州立大学化学工程理学学士学位。
结果表明，基于RNA的传感器可以设计用于检测人类生物标志物蛋白，包括参与心脏病和关节炎等慢性炎症的单体C反应蛋白，以及白细胞介素-32 γ，一种用于病毒或细菌感染等急性感染的信号蛋白。根据Salis的说法，这种传感器可用于开发用于诊断测试的设备。
“这些测试可以帮助临床医生诊断患者，但在几周内定期进行多种生物标志物测量更具信息性，”Salis说。“现在，一项测试可能很昂贵，而且它们加起来。借助我们基于 RNA 的新技术，现在可以以更少的成本进行相同的测量。
该技术是无细胞表达系统和称为核糖开关的工程化基于RNA的传感器的组合。无细胞表达系统包含读取DNA和产生蛋白质的细胞机制，但它们不受细胞膜的限制，允许大块蛋白质自由进入。
核糖开关被设计成与生物标志物蛋白结合并调节可观察信号的激活或抑制。核糖开关本身由DNA指令在无细胞表达系统内产生。总的来说，这些材料的成本约为每次反应的一美元。
根据Salis的说法，这是研究人员首次设计出核糖开关传感器来检测生物标志物蛋白。他说，挑战在于找出好的DNA指令来产生灵敏的蛋白质传感器。
“过去设计这种核糖开关传感器的努力在很大程度上依赖于试错实验，例如，构建和表征大型随机文库以识别有效的核糖开关变体 - 遗传蓝图和适配体，”Salis说。“结合热力学建模和计算优化，我们合理地设计了新的核糖开关，这些核糖开关被预测为良好的蛋白质传感器，然后我们对其进行了测试。我们的设计算法称为Riboswitch计算器。
Salis和研究人员测试了他们的新技术来检测三种蛋白质：MS2，一种在细菌噬菌体中发现的小蛋白质，作为原理验证测试;以及医学相关的生物标志物人单体C反应蛋白和人白细胞介素-32γ。研究人员设计了32个核糖开关，其中大多数成功感知了它们的靶蛋白。
“目前的检测需要昂贵的检测试剂，昂贵而笨重的仪器，样品冷链储存和分配以及训练有素的人员，”Salis说。“通过应用建模和计算设计，我们设计了可以冷冻干燥和再水化的低成本蛋白质传感器。下一步是开发一种易于使用的设备，允许研究人员和临床医生使用这项新技术。
更多信息：Grace E. Vezeau等人，用于检测无细胞表达系统中人类生物标志物的蛋白质结合核糖开关的自动化设计，Nature Communications（2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-38098-0
期刊信息：自然通讯