SPR技術(shù)在合成生物學(xué)研究中的應(yīng)用及P4SPR的優(yōu)勢介紹
合成生物學(xué)是一個多學(xué)科領(lǐng)域，涉及分子生物學(xué)和工程學(xué)等一系列學(xué)科，目的是創(chuàng)造能夠解決許多健康、農(nóng)業(yè)和環(huán)境挑戰(zhàn)的產(chǎn)品。例如，在農(nóng)業(yè)部門，越來越需要解決糧食安全、營養(yǎng)和作物產(chǎn)量等問題。解決方案可能在于設(shè)計合成代謝途徑，以生產(chǎn)出對氣候變化更耐受、更有營養(yǎng)、更少依賴肥料的作物[1]。
表面等離子體共振(SPR)是一種實時、無標(biāo)記的方法，可獲得核酸-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-小分子相互作用的定量信息。這些定量信息包括解離平衡常數(shù)(KD)、結(jié)合速率(Kon)和解離速率(Koff)值。這些參數(shù)的確定和調(diào)整可以指導(dǎo)合成生物學(xué)途徑的優(yōu)化，使工程產(chǎn)品具有所需的特性，包括研究轉(zhuǎn)錄調(diào)控，篩選合成拉鏈，以及為不同的應(yīng)用設(shè)計生物傳感器等。本文將重點(diǎn)介紹這些例子，以展示SPR對這些相互作用進(jìn)行快速、定量驗證的能力，從而更清楚地了解所涉及的生物分子的結(jié)合動力學(xué)和親和力。然后，還將展示Affinite的P4SPR™所演示的研究實例。
SPR技術(shù)在合成生物學(xué)研究中的應(yīng)用
圖1，SPR實驗示意圖，研究不同的AG內(nèi)含子突變體與LFY的結(jié)合親和力和動力學(xué)。雙鏈DNA通過鏈親和素-生物素標(biāo)簽固定在SPR芯片上。
合成拉鏈用于腳手架蛋白，通過濃縮酶和底物來增加產(chǎn)品產(chǎn)量。當(dāng)SPR用于研究它們的結(jié)合相互作用時，不同合成拉鏈組合之間的KD、Kon和Koff值的可以被定量收集，并作相互比較(圖2)。這為尋找具有所需KD、Kon和Koff值的合成拉鏈對創(chuàng)造了極具參考意義的數(shù)據(jù)，對腳手架蛋白質(zhì)的應(yīng)用非常有價值[3]。
圖2，SPR實驗示意圖，研究不同合成拉鏈組合之間的結(jié)合相互作用。將合成拉鏈B偶聯(lián)的單域抗體D固定在蓖麻毒素覆蓋的表面。合成拉鏈A和B代表不同氨基酸序列的拉鏈。
利用SPR作為評估蛋白質(zhì)與葡萄糖結(jié)合親和力的工具，設(shè)計了一種葡萄糖生物傳感器，用于人類血液樣本中潛在的葡萄糖監(jiān)測(圖3)。當(dāng)葡萄糖/半乳糖結(jié)合蛋白(GGBP)發(fā)生突變時，其與葡萄糖的親和力因突變而發(fā)生改變。SPR能夠評估葡萄糖與GGBP的結(jié)合親和力。通過SPR檢測，發(fā)現(xiàn)GGBP三突變（E149C, A213S, L238S）體與葡萄糖的平衡解離常數(shù)為0.5mM，可應(yīng)用于生理范圍內(nèi)血糖的監(jiān)測。
圖3，SPR實驗示意圖，用于測試各種GGBP突變體與葡萄糖的結(jié)合相互作用。通過EDC/NHS活化固定GGBP。
Affinité的P4SPR™在合成生物學(xué)中的應(yīng)用
Affinité的P4SPR™是一款革命性的SPR儀器，可在緊湊實用的設(shè)計中提供實時動力學(xué)和親和測量。儀器用戶友好型的設(shè)計，即使個人沒有廣泛的實驗室技能也可以在短時間內(nèi)學(xué)習(xí)如何使用它。SPR儀支持手動注射，也可以搭配泵模塊作動力學(xué)測定。更重要的是，即使復(fù)雜的生物樣品，如人血清，也可以勝任分析檢測工作(見下面第二個例子)。
P4SPR用于研究lacI抑制因子與lacO操縱子的相互作用(圖4)。lacO操縱子的雙鏈DNA通過鏈霉親和素-生物素連鎖固定在SPR芯片上；不同濃度梯度的lacI抑制物蛋白流過芯片表面來測定KD值。檢測KD值為6.4±1.2 nM，與文獻(xiàn)報道相符合。此外，單個樣本的傳感器圖可以在10分鐘內(nèi)實時收集。
圖4，a) SPR實驗示意圖，lacO和lacI結(jié)合互作實驗。lacO通過鏈霉親和素-生物素標(biāo)簽固定;b) 從不同濃度的lacI樣品中獲得的傳感器圖
設(shè)計SPR平臺檢測SARS-CoV-2核衣殼蛋白特異性抗體[5]。首先通過EDC-NHS活化處理將核衣殼蛋白固定在SPR芯片上。然后注入人血清樣本（不同抗體濃度），P4SPR實時收集數(shù)據(jù)。SPR信號變化與抗體濃度正相關(guān)。在表面固定后，每個傳感圖在15分鐘內(nèi)收集。該方法可用于自然感染SARS-CoV-2或接種甲型H1N1流感疫苗的個體的免疫檢測。
圖5，SPR生物傳感器用于檢測SARS-CoV-2核衣殼蛋白特異性抗體。采用EDC/NHS化學(xué)固定核衣殼蛋白。
結(jié)論
SPR是一種快速、實時、無標(biāo)記的方法，用于獲取蛋白質(zhì)-核酸、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)-小分子相互作用的親和力和動力學(xué)數(shù)據(jù)，適用于合成生物學(xué)領(lǐng)域。此外，Affinité的P4SPR™是一款實用、緊湊、用戶友好的設(shè)備。金膜傳感器芯片可定制不同類型的化學(xué)修飾表面，也可用于復(fù)雜生物樣品的檢測。與ELISA等傳統(tǒng)免疫分析法相比，P4SPR™可提供快速、實時的親和力和/或動力學(xué)數(shù)據(jù)。
P4SPR™優(yōu)勢
簡單----快速培訓(xùn)，即刻使用
多功能----制藥領(lǐng)域，生物傳感，分析方法開發(fā)
經(jīng)濟(jì)----負(fù)擔(dān)得起，性價比高
References
[1] Marc-Sven Roell and Matias D. Zurbriggen. The impact of synthetic biology for future agriculture and nutrition. Curr. Opin. Biotechnol. 2020, 61, 102-109.
[2] Edwige Moyroud, , Mathieu C. A. Reymond, Cecile Hames, Francois Parcy, and Charles P. Scutt. The analysis of entire gene promoters by surface plasmon resonance. Plant J. 2009, 59, 851-858.
[3] George P. Anderson, Lisa C. Shriver-Lake, Jinny L. Liu, and Ellen R. Goldman. Orthogonal Synthetic Zippers as Protein Scaffolds. ACS Omega 2018, 3, 4810-4815.
[4] Helen V. Hsieh, Zachary A. Pfeiffer, Terry J. Amiss, Douglas B. Sherman, J. Bruce Pitner. Direct detection of glucose by surface plasmon resonance with bacterial glucose/galactose-binding protein. Biosens. Bioelectron. 2004, 19, 653–660.
[5] Abdelhadi Djaileb, Benjamin Charron, Maryam Hojjat Jodaylami, Vincent Thibault, Julien Coutu, Keisean Stevenson, Simon Forest, Ludovic S. Live, Denis Boudreau, Joelle N. Pelletier, Jean-Francois Masson. A Rapid and Quantitative Serum Test for SARS-CoV-2 Antibodies with Portable Surface Plasmon Resonance Sensing ChemRxiv. Preprint. https://doi.org/10.26434/chemrxiv.12118914.v1
