碳納米管場效應(yīng)晶體管（CNT-FET）作為下一代微型生物傳感器，具有廣闊的發(fā)展前景。但如何對具有獨特靜電表面的蛋白質(zhì)進行建模，以期與CNT-FET相互作用以調(diào)節(jié)電導是一項很大的挑戰(zhàn)。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，英國卡迪夫大學（Cardiff University）、倫敦瑪麗女王大學（Queen Mary University of London）、加拿大蒙特利爾大學（Université de Montréal）和韓國首爾女子大學（Seoul Women’s University）的研究人員利用先進的采樣分子動力學結(jié)合非標準氨基酸化學，對單壁碳納米管（SWCNT）上的蛋白質(zhì)靜電勢（ESP）進行建模。因為β-內(nèi)酰胺酶結(jié)合蛋白2（BLIP2）能結(jié)合抗生素降解酶β-內(nèi)酰胺酶（BL），故研究人員著眼于將BLIP2作為受體，使用基因編碼的苯基疊氮化物光化學方法，BLIP2通過單個選定的殘基附著到單壁碳納米管上。研究人員開發(fā)的新型器件可檢測兩種不同的BL——TEM-1和KPC-2，由于它們表面靜電分布情況不同，每種BL都會產(chǎn)生不同的電導分布。電導的變化與單壁碳納米管在BL結(jié)合時所采樣的模型靜電分布相匹配。因此，研究人員的建模方法與殘基特異性受體附著相結(jié)合，可以為系統(tǒng)構(gòu)建CNT-FET生物傳感器提供一種通用的方法。
研究人員將精力集中在檢測BL——這是導致抗菌素耐藥性（AMR）的主要因素之一，細菌分泌的A類絲氨酸BL（如臨床上重要的TEM-1和KPC-2）是β-內(nèi)酰胺類抗生素產(chǎn)生耐藥性的主要原因，因此在感染期間快速檢測它們對于實施合適的抗生素治療至關(guān)重要。BLIP2（如圖1e所示）是A類BL近乎“通用”的結(jié)合劑，因此可作為檢測多種BL（如TEM-1和KPC-2）的理想受體蛋白。BLIP2利用環(huán)狀結(jié)構(gòu)的圓形排列識別BL活性位點的三維排列（圖1e）。雖然TEM-1和KPC-2在結(jié)構(gòu)上（Cα均方根偏差為0.81?）和功能上相似，但由于構(gòu)成每種BL的帶電氨基酸的數(shù)量和分布不同，它們具有不同的靜電表面輪廓（圖1f）。
圖1：CNT-FET設(shè)計
通過結(jié)合計算建模方法、基因密碼重編程、化學生物學和納米級生物傳感器件的制造，研究人員成功地將BLIP2光化學附著在定義的、被設(shè)計的殘基上，從而能夠檢測TEM-1和KPC-2；由于靠近單壁碳納米管表面所呈現(xiàn)出的獨特表面靜電斑存在差異，每種BL都會產(chǎn)生不同的電導分布。電導的變化與單壁碳納米管在BL結(jié)合時采樣到的模型靜電分布高度匹配。
受體蛋白附著位點的可行性建模
最近，研究人員開發(fā)了一種方法，通過非標準氨基酸疊氮苯丙氨酸（azF，4-疊氮-L-苯丙氨酸）的基因編碼苯基疊氮化物化學，可使一種蛋白質(zhì)與納米碳（包括單壁碳納米管）直接精確且密切地附著。與需要較長附著體的芘基附著方法相比，直接苯基疊氮化物光化學插入法在受體蛋白（以及分析物蛋白）和單壁碳納米管表面之間提供了更緊密的附著，從而有可能實現(xiàn)更高效的信號轉(zhuǎn)導。
圖2：BLIP2突變體（左列為疊氮苯丙氨酸41，右列為疊氮苯丙氨酸213）的疊氮苯丙氨酸側(cè)鏈旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體結(jié)構(gòu)和單壁碳納米管結(jié)合的建模
在此，研究人員旨在設(shè)計一種精準的方法來模擬受體蛋白可能的初始結(jié)合方向，方便他們估算進入的分析物蛋白和單壁碳納米管之間的距離和靜電影響。BLIP2將作為碳納米管上的受體蛋白，這既是因為其在抗菌素耐藥性診斷中的潛力，也是為了測試研究人員的建模方法。由于BLIP2結(jié)合了一系列不同的BL，這使研究人員能夠?qū)哂胁煌o電表面的獨特分析物蛋白影響單壁碳納米管進而影響電導的方式進行建模。
蛋白質(zhì)在單壁碳納米管上的靜電效應(yīng)建模
針對蛋白質(zhì)對單壁碳納米管電導通道的靜電影響進行建模的能力，對于成功設(shè)計FET生物傳感器至關(guān)重要。在此，研究人員開發(fā)了一種對蛋白質(zhì)與單壁碳納米管結(jié)合的靜電效應(yīng)進行建模的方法。具體如下：（1）使用全原子、溶劑顯式哈密頓副本交換分子動力學（H-REMD）建模，對受體蛋白相對于碳納米管的取向進行全面采樣；（2）利用靜電泊松-玻爾茲曼模擬（Poisson-Boltzmann simulations）確定這些取向在單壁碳納米管表面上產(chǎn)生的靜電勢。利用這一過程，研究人員量化了由于BLIP2通過疊氮苯丙氨酸41或疊氮苯丙氨酸213附著在單壁碳納米管上以及隨后TEM-1和KPC-2的關(guān)聯(lián)而引起的靜電變化。根據(jù)靜電勢，研究人員推斷出其對單壁碳納米管中載流子密度的影響，進而推斷出對其電導的影響。
圖3：分析物結(jié)合時靜電勢的變化
所設(shè)計的BLIP2受體CNT-FET的電導率
接下來，研究人員測試了他們的模型，以查看電導率是否在CNT-FET設(shè)置中以預期的方式變化。使用的所有CNT-FET均由p型單壁碳納米管組成，他們在依次添加受體BLIP2（圖2d）、分析物BL（圖4a）時測量了電流-電壓分布（I-V）。
圖4：添加BL之后，對光化學附著在CNT-FET器件上的BLIP2疊氮苯丙氨酸突變體進行電導率測量
生物CNT-FET器件的使用為生物傳感甚至分子電子學提供了巨大的潛力，而優(yōu)化器件設(shè)計過程尤為重要。
在此，研究人員展示了計算機模擬建模（in silico modelling）有潛力預測可利用的受體附著位點，以及單壁碳納米管（其在FET生物傳感器中作為傳感單元，表現(xiàn)出預期的電導變化）所采集到的可能的靜電勢。關(guān)鍵是使用非標準氨基酸，將偶聯(lián)位點限制在受體上的一個確定的殘基上，從而提供與單壁碳納米管的均勻和精確的附著，進而確定建模過程。
研究人員設(shè)想，該方法可以被更廣泛地使用，從而實現(xiàn)優(yōu)化的蛋白質(zhì)受體附著，以改進分析物傳感。最終，可以開發(fā)一套簡化的流程，通過簡單地提供受體-分析物序列，就能生成可供他們使用的最佳生物場效應(yīng)晶體管（bioFET）構(gòu)建的設(shè)計方案。該建模方法也將為進一步認識蛋白質(zhì)-生物納米混合系統(tǒng)可能的空間和功能間的關(guān)系提供有益的幫助，同時幫助研究人員明晰開發(fā)中各步驟的基本原理。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51325-6
《DNA測序技術(shù)及市場-2022版》
《即時診斷應(yīng)用的生物傳感器技術(shù)及市場-2022版》
《碳納米管（CNT）市場、技術(shù)及廠商-2022版》
《同種異體嵌合抗原受體（Allogeneic CAR）專利全景分析-2023版》
