<pre id="njp9p"></pre><var id="njp9p"><meter id="njp9p"></meter></var>

<dl id="njp9p"></dl><pre id="njp9p"></pre>
    <del id="njp9p"></del>
    <pre id="njp9p"></pre> <strike id="njp9p"></strike>

    <delect id="njp9p"></delect>
    <pre id="njp9p"><font id="njp9p"></font></pre>

              <pre id="njp9p"></pre>

              <rp id="njp9p"></rp>
              推廣 熱搜: 氨基酸  檸檬酸  發酵  維生素C  味精  色氨酸  葡萄酒  維生素  微生物發酵  頭孢 

              華東理工楊弋團隊基于熒光 RNA 開發普適性構建方法,有望針對任意分子構建高性能傳感器

                 日期:2023-06-08     來源:深科技    瀏覽:984    評論:0    
              核心提示:填補合成生物學領域短板之一,科學家基于熒光 RNA 開發普適性構建方法,有望針對任意分子構建高性能傳感器
                
               代謝是生命活動的核心,代謝表型是生物功能的直接反映,對細胞乃至生物代謝網絡的系統性研究具有重要的科學意義,在疾病診斷與治療、生物制造等方面也具有重要的價值。

               今年年初,華東理工大學楊弋團隊報道了高特異、高響應、超靈敏的乳酸熒光傳感器 FiLa[1]。乳酸不僅是細胞能量代謝的核心之一,也是疾病狀態的重要指標。

               FiLa 傳感器為生理、病理、生物制造中的乳酸代謝的時空景觀提供了強大的、廣泛適用的工具。值得一提的是,研究團隊還意外發現線粒體基質內富集了高濃度乳酸,這解決了該領域爭議了幾十年的重要科學問題。

               

              (來源:Cell metabolism)

              >最近,楊弋團隊又報道了一款高性能遺傳編碼的過氧化氫(H2O2)生物感應器,并將其叫做"HyPerion"。他們還構建了該傳感器的轉基因小鼠,用于活體上測定腫瘤干細胞的狀態和空間位置[2]。

              一直以來,在活體中檢測過氧化氫,并沒有性能理想的工具。與一般傳感器相比,HyPerion 在活體細胞亮度上提升了 5 倍以上,能夠在復雜的生物體系中直接觀測代謝狀態,并首次在活體上實現了細胞水平的過氧化氫檢測。

              楊弋指出,HyPerion 轉基因動物身上的任何細胞都自帶熒光,這為研究細胞內最核心的氧化還原代謝相關的生命機制或藥物發現奠定了基礎。

               

              圖丨可實時地監測活體內的過氧化氫(來源:PANS)

              實際上,FiLa、HyPerion 傳感器只是楊弋團隊"傳感器集合"中的縮影。該團隊還發展了一系列特異性地檢測細胞內核心代謝物 NAD+、NADH、NADPH、葡萄糖、氨基酸等的遺傳編碼熒光傳感器 Frex、SoNar、iNaps、FiNad 等,實現了在活體動物、活細胞及各亞細胞結構中對氧化還原代謝的動態檢測與成像。

              然而,目前絕大部分代謝物仍然缺乏高性能的熒光傳感器?,F有細胞代謝熒光傳感器主要都是基于熒光蛋白技術發展,獲得特異性、高性能的傳感器充滿了挑戰性。

              最近,楊弋教授團隊基于全新的熒光 RNA 技術,在普適性、高靈敏生物傳感器的構建方法上取得了突破,有望針對針對任何代謝物靶標,甚至其他各種生物分子構建高性能生物傳感器。

              該技術基于團隊前期報道的國際上首個活細胞實用的高性能熒光 RNA [3]。除了用于對活細胞內各種 RNA 的進行高分辨實時追蹤外,熒光 RNA 還可以用替代熒光蛋白于構建代謝傳感器。相較熒光蛋白,熒光 RNA 具有更簡單的結構和更高效的熒光傳感能力,以及更多樣的色彩,這是很強的優勢。

              該團隊找到了熒光 RNA 最適于進行熒光傳感的構型,將它與特異識別代謝物的適配體結合,構建了 SAM 等重要代謝物的超靈敏遺傳編碼熒光傳感器。這些基于 RNA 技術的生物傳感器具有最高上百倍的動態變化,實現了活細胞內重要代謝物的超靈敏實時分析[4]。

               

              (來源:Biosensors and Bioelectronics)

              值得關注的是,本次的新技術由合成生物學原理制備而成,所獲得的熒光 RNA 類傳感器不僅具有遠超熒光蛋白類傳感器的靈敏度,還可以一次性獲得從藍色到紅色等不同顏色的傳感器,有望實現在同一細胞更多參數的代謝分析。

              傳統由熒光蛋白技術發展的傳感器以黃綠色為主,但其缺點也十分顯著。一方面用于光譜重疊,這些傳感器可能會受到細胞中內源熒光的干擾;另一方面,普通的藍綠光在組織器官內容易衰減,穿透距離僅在 1 毫米以下。而最新發展的紅色熒光 RNA 傳感器不僅完美避開細胞內源熒光干擾,穿透深度則可增加 10 倍以上。

              該技術具有穩定、高亮度的特點,不僅可以拓寬傳感器的種類圍,也方便在活體上直接對代謝進行研究。此外,通過該技術還可構建蛋白質傳感器,直接能夠在活細胞中觀察到蛋白質的狀態,這是基于熒光蛋白的傳感器難以做到的。

              楊弋表示:"我們發現用熒光 RNA 制備傳感器的靈敏度與普適性遠超過熒光蛋白技術。熒光 RNA 作為一個新的平臺,更容易實現生物傳感從而得到高靈敏的傳感器。"

              理論上,針對任何代謝物小分子或者蛋白等大分子,基于熒光 RNA 技術都可能發展出相應的傳感器。這有助于突破現有傳感器種類缺乏多樣性的限制,大大擴展傳感器的應用領域,例如幫助合成生物學領域穩定、實時地觀測活細胞內各類分子具體含量及動態,進而提升種質及進化生產工藝。

               

              圖丨相關論文(來源:Biosensors and Bioelectronics)

              前不久,相關論文發表在Biosensors and Bioelectronics,論文題目為《使用基于明亮熒光 RNA 的基因編碼傳感器對活哺乳動物細胞中的細胞內代謝物和蛋白質變化進行成像》(Imaging intracellular metabolite and protein changes in live mammalian cells with bright fluorescent RNA-based genetically encoded sensors)[4]。

              華東理工大學楊弋教授與生物反應器工程國家重點實驗室 PI 陳顯軍博士為該論文通訊作者,博士研究生方夢悅為論文第一作者。

              將細胞"黑箱"轉變為"明箱"

              楊弋目前擔任華東理工大學特聘教授,國家自然科學基金委創新群體負責人,曾獲得國家自然科學基金委杰出青年基金、長江學者特聘教授、教育部自然科學一等獎等國家人才計劃或學術榮譽。

              最近十余年來,他帶領團隊在全球首次、多次報道了系列檢測核心代謝物的活細胞定量熒光傳感器,并研發出"高通量"與"全景式"活細胞代謝分析方法。此外,團隊還發展了系列基于光敏蛋白的合成生物學控制技術,可以實現對整個中心法則如轉錄、修飾、翻譯、降解全過程的高時空分辨操控[5,6]。

              系列成果顛覆傳統代謝物檢測與研究時空精度不足的缺陷,以極高的靈敏度、特異性和絕對定量的特點,對活細胞及或活體代謝特征實時動態定量的監測與控制。

              這樣的閉環單細胞代謝研究技術,創造了代謝基礎研究和應用的新范式。目前,該團隊已積累四代傳感器技術儲備及 40 多項國內外技術專利,包括代謝物熒光傳感器、熒光 RNA、光控基因表達系統等。

               

              圖丨楊弋(來源:楊弋

              那么,這一系列代謝傳感器將被應用在哪些領域呢?

              合成生物學主要的應用方向是生物制造,也就是是通過代謝的方法,利用低價的產品去生產高價值產品。通過工程化方法對底盤生物進行大幅基因改造,改變生命體內物質流動方向,進而發展天然產物、創新藥物、生物能源、生物材料等代謝物的生物制造技術,這也是合成生物學主流研究領域。

              工欲善其事,必先利其器"。合成生物學的發展,離不開先進的代謝研究技術。先進代謝傳感器在合成生物學領域將發揮"用武之地",例如高端生物制造、復雜生物產品、細胞治療產品等方向,形成從研發、生產到最終的產品檢測的全鏈條顛覆應用。

              總體來說,代謝傳感器在合成生物學有三個主要的應用方向。

              第一,高產種質的篩選和進化。楊弋表示:"傳統的定向進化是生物大分子結合力或者酶活力的進化,而基于活細胞代謝傳感器,可以實現合成生物系統在人工輔助下的快速進化,高效率、快速地獲得高產的種質。"

              "建物致知、建物致用"是合成生物學的愿景。實際上,"建"的方法有很多,也相當成熟,例如大規模 DNA 合成技術、基因編輯技術、自動生物處理與分析設備等。

              因此,利用當前生物技術,人們可以容易獲得不同代謝模塊組組合的海量菌株或細胞株版本(百萬-百億級)。然而,如何尋找適于生物制造的那個高產菌株呢?

              要想解決"建物致知"中"知"的問題,就需要對單細胞的代謝情況進行高通量的分析,而這正是目前限制合成生物學發展的重大瓶頸之一。對于復雜的合成生物學代謝途徑來說,定向進化則要困難得多。

              由于技術局限,現有色譜、質譜、抗生素抑菌實驗等代謝產物分析技術存在分析通量較低且具有破壞性,難以對這些海量的合成生物學體系實現快速表征與高通量篩選。

              遺傳編碼代謝物熒光傳感器則可以在單細胞或亞細胞水平對代謝進行實時、定量、高通量分析?;谶z傳編碼代謝物熒光傳感器的單細胞代謝分析與篩選可在 1 小時可分析數十萬至數百萬個樣本,與傳統研究方式相比,具有低成本、高通量的優勢。

              基于這樣的顛覆性單細胞代謝分析技術為合成生物系統的定向進化與菌株篩選提供了重要機遇,有望將現有技術對合成代謝途徑優化所需要的數年時間,通過單細胞技術縮短為幾個星期時間,最終占領產業先機。

              第二,生產工藝的提升。一般來說,生物制造的種質和環境不適配,會導致最終難以形成高產工藝,這也是實驗室的高產菌株 90% 以上不能實際使用的核心原因。

              需要了解的是,在生物制造過程中,如果發酵條件變化,容易造成菌株缺乏營養,停止工作甚至迅速死亡。此外,菌株會表達一些抑制物抑制菌株生長。

              傳統做法是通過經驗試錯或間歇分離方法,讓代謝的抑制物濃度得到控制。而通過代謝傳感器,能更加準確、實時地控制生產過程,從而可以用更多維度的手段讓生產工藝更加精細,最終進一步提高生產產率。

              目前,生物制造過程調控和監測手段非常有限,傳統的發酵工藝的效率提升主要依賴于胞外代謝傳感。然而,僅僅對培養基中的氧氣、營養物、產物或者廢物進行檢測,不能很好地反映細胞的營養與工作狀態。因此,需要更加精確靈敏的手段來調控菌株發酵過程。

              胞內傳感能實時監測和解析細胞內部代謝情況態,實現生物效能利用的最大化。裝載在活細胞里遺傳編碼傳感器,有更多的方式去檢測和控制發酵過程,反映發酵質量的好壞。

              使用胞外傳感器再加上胞內傳感器,相當于把發酵過程從"黑箱"狀態變成"明箱",工藝改造相對來說會變得輕松很多。"我們的代謝傳感器能精確地了解反應器中細胞代謝的狀態。與此同時,我們也會研發相應的裝備,以能夠在線實時地看到活細胞代謝的狀態為目標,最終實現提升生產工藝。"楊弋說道。

              第三,質量控制,特別是對于非化學物質的"活"生物產品,例如干細胞、CAR-T 等細胞治療的產品。楊弋指出,細胞代謝是一切生物功能的基礎,對這些活的生物制品的功能與質量非常關鍵。

              目前,干細胞治療面臨最大的困難是可用干細胞質量控制的難題。在人工培養與制造的干細胞制備中,高質量功能干細胞含量不一,大量存在的功能不全或有缺陷的干胞不僅會降低干細胞療效,還可能具有致瘤性。

              CAR-T 等免疫治療技術也存在著類似質控難題。由于在準確控制產品質量上缺乏技術與標準,可能導致每批次產品的一致性和穩定性不佳,這是困擾細胞治療產業化的一大難題。特殊的代謝模式是干細胞、免疫細胞的重要特征,干細胞代謝、免疫代謝也是當前國際研究熱點。

              利用活細胞代謝傳感器,有利于對相關細胞治。通過開發相應的代謝傳感器與質量控制策略,有望形成干細胞、CAR-T 細胞新的質量控制標準,幫助提升產品質量。

              用活的質控方法可以對細胞治療產品質量進行快速分析,還可以進一步對生產工藝進行改進提升質量,讓其能夠達到更好的臨床效果,并且減降低它的毒副作用。"他說。

              在合成生物學與生物制造之外,代謝傳感器還在新藥創制、疾病即時診斷方面具有優勢。代謝傳感器技術的普適性,還將對整個生物產業鏈產生積極影響。

              在藥物篩選方面,傳統手段往往針對單一靶標進行藥物篩選,而大部分人類的復雜疾病靶標并不明確,因此靶向篩藥的效果也十分有限?,F在用代謝傳感器技術去幫助藥物創新,篩藥更加直接有效,有望獲得全新的藥物。

              以抗腫瘤藥為例,癌細胞藥效研究通常需要 24 小時甚至 48 小時處理,以確認藥物是否有效。而通過代謝檢測方法,對癌細胞處理只要 5 分鐘能預測相關藥物對癌細胞是否有效。

              醫學診斷方面,由于方法學的局限性,目前臨床生化診斷僅有約一百多個指標。與之對比的是,在代謝傳感器應用方面,只要確定某種診斷標志物對診斷疾病有幫助,通過最新的生物傳感器平臺,就能發展出與其對應的傳感器用于即時檢測。

              基于先進熒光傳感器的方法,可實現進行快速(秒級)、靈敏的診斷。并且,用非常微量的體液就可以實現詳細的分析,甚至還可以分析活檢細胞。

              全球唯一全面覆蓋細胞代謝傳感產業應用技術的團隊

              從技術角度來看,目前全球大部分高性能熒光傳感器由楊弋團隊發明,2019 年,團隊主持的"生物工業過程監控合成生物傳感系統穿件與工業應用",還獲得了國家重點研發計劃合成生物學重點專項支持立項。

              截至目前,已有全球超過 1000 個課題組應用該團隊研發的系列熒光傳感器,包括代謝、神經、發育、免疫、腫瘤、心血管、植物、發酵等方向,并借助其熒光傳感器將相關成果發布在Science、Nature、Cell metabolism等學術期刊。此外,還有十余家全球跨國藥企與團隊聯系商業合作事宜,希望用做藥理藥效研究或獲得藥物篩選體系等支持。

              合作的上海交通大學團隊利用這些代謝的相關技術對腫瘤的干細胞,特別是白血病干細胞進行了一系列研究。"我們的技術能夠解決腫瘤干細胞的弱點,相應地設計藥物的治療方案。"他說。

               

              圖丨亞細胞乳酸代謝圖譜揭示乳酸是感知各種代謝活動的關鍵樞紐(來源:Cell metabolism)

              此前,楊弋團隊首次發現尿液乳酸可作為罕見 II 型糖尿病,即線粒體糖尿?。╩itochondrial diabetes mellitus,MDM)的篩查指標。

              雖然醫學專家對臨床 II 型糖尿?。═2DM)患者進行篩查的必要性已經形成了共識,但是臨床上缺乏高依從、有效、低成本地將 MDM 患者區分出來的篩查方式。由于 MDM 患者與 T2DM 患者的用藥不同,其篩查難題給病人健康造成很大的隱患。

              楊弋表示:"我們通過 FiLa 傳感器,對罕見的 II 型糖尿病患者可進行快速篩查,從而實現精準的藥物治療。"目前,該技術的產業化落地正在推進中。

              疾病診斷的產業化方面,據該團隊介紹,有望在一年內研發出尿液乳酸試劑盒,實現在家庭環境就能無創、方便地進行生化診斷及控制病情。

              將前沿的技術進行產業轉化,該如何服務于市場呢?據介紹,一些代謝傳感器本身可以直接做成標準化產品,包括儀器裝備等。這些產品可應用在合成生物學企業中,用來標準化地研究、篩選產品。

               

              另一方面,針對不同企業的需求,提供定制化服務,形成標準化的解決方案模塊,通過構建全新的傳感器,幫企業解決其面臨的問題。"最重要的是,我們能夠幫助提升生物制造的效率,以及降低生產成本。"楊弋說。

              此外,由于代謝傳感技術可實現從研發、生產到產品檢測的全產業鏈影響,因此可進行通用型的市場開拓,為提供企業研究與診斷的服務,以更加了解組織、細胞中代謝存在的問題。

               

              目前,該團隊發展的第二代高性能熒光代謝傳感器系迄今全球性能最佳的傳感器。并且,該團隊還在積極發展第三代、第四代相關技術。

               

              隨著技術的不斷儲備,技術壁壘進一步加強,"傳感器集合"所覆蓋的領域和應用場景越來越廣,為客戶提供定制化解決方案,它的價值也越來越高。另一方面,該團隊還發展了新一代的細胞代謝表型組學技術。

               

              未來,該技術將帶來更多的數據,并通過代謝傳感能得到四維、五維的數據,從而對細胞代謝有更深入的了解。"以此對整個合成生物學的產業鏈有更多的了解,這些獨特、全面的數據也是團隊的寶貴財富。"楊弋說。

               

              將填補合成生物學領域短板

              楊弋指出,未來,生物傳感器的發展趨勢是定量、實時、多重。在做生物分析時可能一次分析一種物質,但卻有許多時間點的數據。隨著代謝傳感的發展,今后合成生物學技術可能會變得更加集成化、便攜化。

              雖然目前監測心跳、血壓等物理信號的設備已很常見,但仍沒有很好的工具來監測生物化學代謝的狀態,而熒光傳感器容易做到小型化,可實現幾百個生物化學指標的同時監測。

              因此,未來可做成可穿戴設備實時監測人類的代謝、衰老等狀態,還會對糖尿病、肥胖癥、腫瘤、神經退行性疾病等于代謝密切相關的疾病起到"早發現、早預防"的效果。

               

              另一方面,生物傳感器還能與 AI、計算機結合。以光為媒介,這些細胞代謝傳感技術將合成生物學系統與電腦系統進行閉環的連接,實現生物與半導體系統的融合。這一新的方向也被稱為"半導體合成生物學",對人體狀態更多重化的監測與控制具有重大的潛力。

               

              楊弋表示,將代謝傳感器與半導體合成生物學結合,將有利于提升人類的生存質量和壽命等。正是代謝傳感器讓整個合成生物學的鏈條運轉起來,填補了該領域最大的短板。未來,該技術將作為平臺技術,助力推動整個合成生物學的產業的發展。

               

              參考資料:

              1. Xie Li et al. Ultrasensitive sensors reveal the spatiotemporal landscape oflactate metabolism in physiology and disease." Cell metabolism 2023, 35, 200-211. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.10.002

              2.Dan Huang et al.Redox metabolism maintains the leukemogenic capacity and drug resistance of AML cells. PNAS 2023, 120,e2210796120. https://doi.org/10.1073/pnas.2210796120

              3.Xianjun et al.Visualizing RNA dynamics in live cells with bright and stable fluorescent RNAs,Nat Biotechnol, 2019, 37,1287-1273.https://doi.org/10.1038/s41587-019-0249-1

              4.Mengyue Fang et al. Imaging intracellular metabolite and protein changes in live mammalian cells with bright fluorescent RNA-based genetically encoded sensors. Biosensors and Bioelectronics 2023,235,115411. https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115411

              5.Renmei Liu et al. Optogenetic control of RNA function and metabolism using engineered light-switchable RNA-binding proteins. Nature Biotechnology 2022, 2022. 40, 779-786.

              6.Miaowei Mao et al. Controlling protein stability with SULI, a highly sensitive tag for stabilization upon light induction. Nature Communications 2023, 14, 2172.

               
                發酵工業網微信公眾號
                 
                更多>同類資訊
                0相關評論

                推薦圖文
                推薦資訊
                網站首頁  |  2021年發酵工業網第1期電子周刊  |  2019年第13期  |  設備維修  |  關于我們  |  聯系方式  |  付款方式  |  廣告合作  |  網站地圖  |  排名推廣  |  廣告服務  |  積分換禮  |  網站留言  |  RSS訂閱  |  違規舉報  |  浙ICP備12009778
                Powered By DESTOON
                 
                亚洲欧美日韩愉拍自拍美利坚|又黄又粗又爽免费观看|我和四个亲妺作爱小说合集|欧洲亚洲色视频综合在线

                <pre id="njp9p"></pre><var id="njp9p"><meter id="njp9p"></meter></var>

                <dl id="njp9p"></dl><pre id="njp9p"></pre>
                  <del id="njp9p"></del>
                  <pre id="njp9p"></pre> <strike id="njp9p"></strike>

                  <delect id="njp9p"></delect>
                  <pre id="njp9p"><font id="njp9p"></font></pre>

                            <pre id="njp9p"></pre>

                            <rp id="njp9p"></rp>