可穿戴的合成生物学传感器——新冠病毒检测口罩

撰文 | 啾啾椰

责编 | 兮

基于细胞的合成生物学需要用到活体工程细菌，往往面临着系统复杂，不可预见的进化突变以及生物危害等问题。无细胞合成生物学（cell-free synthetic biology）是指利用非生物系统，在体外实现转录和翻译的过程【1】。通过无细胞合成生物学与柔性纺织品的结合——将DNA或RNA中储存的基因电路（genetically engineered circuits）保存在冻干的无细胞系统（freeze-dried，cell-free ，FDCF）里【2】，人们就可以将生物传感器穿在身上，进行即时便捷的检测。

2021年6月28日，来自MIT与哈佛的James J. Collins团队在Nature Biotechnology上发表了题为Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection的文章，发展了可以检测小分子、核酸和毒素的可穿戴系统（wearable FDCF, wFDCF），开发了一种带有CRISPR传感器的口罩，只需按下按钮，便可在穿戴条件下检测SARS-CoV-2。

在最初的可穿戴设备设计中，检测样本通过毛细管作用被吸收并引导到亲水纸上，纤维基质中的基因电路开始运行，通过 lacZ β-半乳糖苷酶操纵子水解氯酚红-β-d-吡喃半乳糖苷（CPRG），使材料发生黄色-紫色的颜色变化。设备设计考虑了飞溅体积，温度湿度等环境条件，模拟皮肤表面环境，优化反应动力学，产生模块化系统，可以结合到日常穿戴上。

图1：可穿戴设备的分层示意图

随后为了增强传感，研究者在织物纤维和纱线中添加了可以输出荧光信号的wFDCF。在尝试了包括丝绸、棉、聚酯等100多种织物后，他们选用带有无细胞试剂的亲水线，编织成聚合光纤（polymeric optic fibers，POFs），装在疏水弹性软硅酮胶中。样品会进入织物内部反应室，让亲水纤维中的FDCF产生合成生物学反应，输出光学信号。研究者验证了这一平台在检测HIV RNA和农药行业中的有机磷神经毒剂中的应用，并验证了该传感器对于神经毒素对氧磷（paraoxon-ethyl）的检测限比哺乳动物皮肤吸收的致死剂量 (LD50) 【3】低四个数量级。

为了检测特定核酸样本，研究者发展了基于CRISPR的wFDCF 传感器。基于CRISPR的传感器有诸多优点，包括高灵敏度、快速输出、单碱基对分辨率、冻干兼容性和面向任意DNA/RNA序列的可编程性【4，5】。他们将一种称为“神探夏洛克”【6】，意为特异高灵敏度酶促解锁（specific high-sensitivity enzymatic reporter unlocking ，SHERLOCK）传感器整合到可穿戴平台中。在检测过程中，目标 dsDNA 序列被重组酶聚合酶扩增（recombinase polymerase amplification，RPA），RPA 扩增子激活 Cas12a-gRNA 复合物，活性 Cas12a 产生反式 ssDNase 活性并切割荧光基团与淬灭剂之间的ssDNA连接，从而产生荧光输出。传感器的检测限为飞摩尔，证明它具有与实验室诊断（如qPCR）相媲美的灵敏度。

图2：CRISPR-Cas12a 系统的传感机制：RPA 增强子激活催化切割荧光团-淬灭剂 ssDNA 探针。

最后，研究者想将上述各项wFDCF技术应用到SARS-CoV-2检测中。呼吸道飞沫和气溶胶是呼吸道传染病的传播途径，但很难作为诊断手段。他们开发了一种可以检测呼出气溶胶中 SARS-CoV-2的口罩，实现对传统鼻咽采样的创新。口罩包括四个模块化组件：样品储存，样品收集垫，微流体分析装置（microfluidic paper-based analytical device，μPAD）和用来显示结果的横向流动（lateral flow assay ，LFA）条带。在咳嗽，说话与呼吸过程中，病毒会积聚在口罩内部【7】，毛细管作用将病毒颗粒从样品收集垫吸到μPAD上，通过冻干裂解提取RNA，逆转录-重组酶聚合酶扩增 (RT-RPA) 靶向扩增SARS-CoV-2 S 基因的非重叠区域，然后用SHERLOCK传感器检测扩增子。在存在SARS-CoV-2扩增子时，活化的 Cas12a 会切割荧光-DNA探针，在LFA上显示能用肉眼观察的条带。

这一口罩传感器无需电源，重量轻，用户友好，可以在室温下使用，从激活到最终读数只需约1.5小时，检测极限为500个拷贝的SARS-CoV-2 体外转录RNA，符合世界卫生组织对RT-PCR的检测标准，并能将SARS-CoV-2与其它常见的人类冠状病毒株 (HCoV)区分开。

图3：检测反应的关键步骤

综上所述，研究者将基于冻干CRISPR传感器的无细胞合成系统与柔性纺织品结合，发展出一种可穿戴合成生物学材料，可以检测代谢物，化学物质和病原体核酸等物质，并通过比色反应或者荧光报告结果。核酸检测限可与当前RT-PCR方法媲美。他们还制作了一种口罩，只需按下按钮，就能在室温下90 分钟内对 SARS-CoV-2 进行可穿戴的无创检测。

这一研究扩展了可穿戴生物传感器的功能，并能适应各种形状与应用环境，具有保护高危环境下的医护工作者，研究人员或作战人员的潜力。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41587-021-00950-3