摘要：近年来，学界通过在体外模拟与重建微生物中天然存在的感应回路，开发了无细胞生物传感系统。无细胞生物传感系统具有开放、灵活的优点，在重要代谢产物与环境污染物检测等方面显示了良好的应用潜力。
发展快速灵敏的检测方法对于保障环境安全、食品安全和公共卫生至关重要，能够及时发现和应对各类风险，防止危害扩散。
近年来，学界通过在体外模拟与重建微生物中天然存在的感应回路，开发了无细胞生物传感系统。无细胞生物传感系统具有开放、灵活的优点，在重要代谢产物与环境污染物检测等方面显示了良好的应用潜力。
然而，无细胞生物传感系统依然采用天然的感应回路机制，必须依赖转录因子（TFs，Transcription Factors）与 RNA 聚合酶之间的天然蛋白通讯机制，并通过转录翻译（TXTL，Transcription-Translation）过程完成生物元件的表达与功能执行。
因此，尽管其具有诸多优势，但在实际应用中仍面临以下挑战：
（1）响应速度慢。基于 TF-RNA 聚合酶通讯的系统通常需要数小时才能产生响应信号，这限制了其在需要快速检测场景中的应用。
（2）系统复杂性高。TXTL 系统需要多酶级联反应、多种辅因子、众多合成底物以及复杂的细胞裂解液成分，这不仅增加了系统的构建和优化难度，还导致其稳定性较差。
（3）便携性和现场检测能力不足。该系统依赖专业实验室仪器设备进行信号检测，难以满足快速、现场检测的需求。
综上所述，如何提高无细胞生物传感系统的响应速度、简化系统复杂性并增强其便携性和现场检测能力，已成为当前研究的重点方向。
为解决上述无细胞生物传感系统中存在的问题，需要创新生物传感机制，突破天然感应机制对复杂转录翻译过程的依赖。
为此，湖南大学雷春阳教授和聂舟教授团队开发了一种配体响应的人工蛋白质-蛋白质通讯系统（LIRAC，ligand-responsive artificial protein-protein communication），有效解决了当前无细胞生物传感系统中因天然转录翻译范式导致的系统复杂性和反应时间长等问题。
图 | 雷春阳（来源：雷春阳）
这一课题的主要成果如下：
（1）实现新型蛋白通讯系统的设计：通过合理设计嵌合 DNA 适配器（cDNA，Chimeric DNA），成功建立了转录因子与 CRISPR/Cas 酶之间的直接通讯。在自然界中，这两种蛋白质并无直接相互作用，而本研究通过人工设计实现了它们之间的高效通讯。
（2）实现快速响应能力：LIRAC 系统能够在 10 分钟内完成检测，相比传统的转录翻译系统（通常需要数小时），显著提高了响应速度。
（3）实现高灵敏度和可调动态范围：通过精确调控 cDNA 与两种蛋白质的结合亲和力，LIRAC 系统不仅提高了检测灵敏度，还能够根据实际应用需求灵活调整动态范围。
（4）实现多功能性和可编程性：该系统能够检测多种化学物质，包括抗生素、重金属离子和防腐剂，并且可以通过多蛋白质通讯实现对多种化学物质的同时检测，展现出良好的多功能性和可编程性。
（5）实现便携式设备与试纸条的开发：结合 LIRAC 系统与便携式荧光检测设备及可视化试纸条，实现了环境水样中重金属离子和个人护理产品中防腐剂的快速、灵敏分析。
LIRAC 系统的开发为生物传感技术带来了新的可能性，其潜在应用领域涵盖环境监测、食品安全等多个重要领域。
在环境监测方面，LIRAC 系统可用于快速检测环境水样中的重金属离子（如铜离子）、抗生素及其他污染物。其快速响应能力使其能够在现场快速提供检测结果，帮助环境监测人员及时采取措施。此外，当与便携式荧光检测设备集成时，LIRAC 系统可实现对环境样本的即时检测，无需依赖复杂的实验室设备。
在食品安全方面，LIRAC 系统能够检测个人护理产品中的防腐剂（如尼泊金酯），并且可扩展应用于食品中防腐剂的检测，从而确保食品安全。通过与侧流层析试纸条结合，LIRAC 系统可实现对食品中化学添加剂的快速、可视化检测，适用于现场筛查。
雷春阳表示，是一次意外实验促成了本次研究的关键解决方案。在利用 CRISPR/Cas12a 系统进行信号报告时，他们一直采用化学合成的引导 RNA，但背景泄漏问题始终难以解决。
一次实验中，论文第一作者王珂博士尝试使用体外转录方法生成 RNA，结果意外地发现背景信号很低。经过反复验证和深入研究，研究团队发现这种现象并非偶然，其关键在于体系中存在转录模板 DNA。结合对 CRISPR/Cas12a 工作机制的理解，课题组提出了基于竞争性抑制的诱饵 DNA 方案，成功解决了长期困扰他们的背景泄漏难题。
与此同时，分工合作显著提高了工作效率。该研究不仅涉及生化检测实验，还涵盖了课题组所不擅长的单分子实验和便携式装置开发等。在初始阶段，研究团队尝试在自己的实验室解决这些问题，但是进展缓慢。
后来，研究团队改变思路，寻找专业合作者。在他们的帮助下，课题组迅速攻克了跨学科研究中的一系列技术难题。原本可能需要数月才能完成的工作，在他们的高效协作下，仅用了几周时间就取得了显著进展。
日前，相关论文以《配体响应性人工蛋白质-蛋白质通信用于现场部署的细胞外生物传感》（Ligand-Responsive Artificial Protein–Protein Communication for Field-Deployable Cell-Free Biosensing）为题发在 Angewandte Chemie[1]，王珂是第一作者，湖南大学化学生物传感全国重点实验雷春阳教授和聂舟教授为共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Angewandte Chemie）
据介绍，LIRAC 系统具有良好的扩展性，可适配多种转录因子，实现对不同类型分析物的快速、灵敏检测。未来，研究团队计划结合定向进化技术和人工蛋白设计方法，对转录因子进行改造与优化，甚至按需设计转录因子，进一步拓展 LIRAC 系统的应用范围，将其发展为一种通用性生物分析平台。
参考资料：
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.
运营/排版：何晨龙
来源：DeepTech深科技一点号