碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）作为下一代微型生物传感器，具有广阔的发展前景。但如何对具有独特静电表面的蛋白质进行建模，以期与CNT-FET相互作用以调节电导是一项很大的挑战。
据麦姆斯咨询报道，近期，英国卡迪夫大学（Cardiff University）、伦敦玛丽女王大学（Queen Mary University of London）、加拿大蒙特利尔大学（Université de Montréal）和韩国首尔女子大学（Seoul Women’s University）的研究人员利用先进的采样分子动力学结合非标准氨基酸化学，对单壁碳纳米管（SWCNT）上的蛋白质静电势（ESP）进行建模。因为β-内酰胺酶结合蛋白2（BLIP2）能结合抗生素降解酶β-内酰胺酶（BL），故研究人员着眼于将BLIP2作为受体，使用基因编码的苯基叠氮化物光化学方法，BLIP2通过单个选定的残基附着到单壁碳纳米管上。研究人员开发的新型器件可检测两种不同的BL——TEM-1和KPC-2，由于它们表面静电分布情况不同，每种BL都会产生不同的电导分布。电导的变化与单壁碳纳米管在BL结合时所采样的模型静电分布相匹配。因此，研究人员的建模方法与残基特异性受体附着相结合，可以为系统构建CNT-FET生物传感器提供一种通用的方法。
研究人员将精力集中在检测BL——这是导致抗菌素耐药性（AMR）的主要因素之一，细菌分泌的A类丝氨酸BL（如临床上重要的TEM-1和KPC-2）是β-内酰胺类抗生素产生耐药性的主要原因，因此在感染期间快速检测它们对于实施合适的抗生素治疗至关重要。BLIP2（如图1e所示）是A类BL近乎“通用”的结合剂，因此可作为检测多种BL（如TEM-1和KPC-2）的理想受体蛋白。BLIP2利用环状结构的圆形排列识别BL活性位点的三维排列（图1e）。虽然TEM-1和KPC-2在结构上（Cα均方根偏差为0.81Å）和功能上相似，但由于构成每种BL的带电氨基酸的数量和分布不同，它们具有不同的静电表面轮廓（图1f）。
图1：CNT-FET设计
通过结合计算建模方法、基因密码重编程、化学生物学和纳米级生物传感器件的制造，研究人员成功地将BLIP2光化学附着在定义的、被设计的残基上，从而能够检测TEM-1和KPC-2；由于靠近单壁碳纳米管表面所呈现出的独特表面静电斑存在差异，每种BL都会产生不同的电导分布。电导的变化与单壁碳纳米管在BL结合时采样到的模型静电分布高度匹配。
受体蛋白附着位点的可行性建模
最近，研究人员开发了一种方法，通过非标准氨基酸叠氮苯丙氨酸（azF，4-叠氮-L-苯丙氨酸）的基因编码苯基叠氮化物化学，可使一种蛋白质与纳米碳（包括单壁碳纳米管）直接精确且密切地附着。与需要较长附着体的芘基附着方法相比，直接苯基叠氮化物光化学插入法在受体蛋白（以及分析物蛋白）和单壁碳纳米管表面之间提供了更紧密的附着，从而有可能实现更高效的信号转导。
图2：BLIP2突变体（左列为叠氮苯丙氨酸41，右列为叠氮苯丙氨酸213）的叠氮苯丙氨酸侧链旋转异构体结构和单壁碳纳米管结合的建模
在此，研究人员旨在设计一种精准的方法来模拟受体蛋白可能的初始结合方向，方便他们估算进入的分析物蛋白和单壁碳纳米管之间的距离和静电影响。BLIP2将作为碳纳米管上的受体蛋白，这既是因为其在抗菌素耐药性诊断中的潜力，也是为了测试研究人员的建模方法。由于BLIP2结合了一系列不同的BL，这使研究人员能够对具有不同静电表面的独特分析物蛋白影响单壁碳纳米管进而影响电导的方式进行建模。
蛋白质在单壁碳纳米管上的静电效应建模
针对蛋白质对单壁碳纳米管电导通道的静电影响进行建模的能力，对于成功设计FET生物传感器至关重要。在此，研究人员开发了一种对蛋白质与单壁碳纳米管结合的静电效应进行建模的方法。具体如下：（1）使用全原子、溶剂显式哈密顿副本交换分子动力学（H-REMD）建模，对受体蛋白相对于碳纳米管的取向进行全面采样；（2）利用静电泊松-玻尔兹曼模拟（Poisson-Boltzmann simulations）确定这些取向在单壁碳纳米管表面上产生的静电势。利用这一过程，研究人员量化了由于BLIP2通过叠氮苯丙氨酸41或叠氮苯丙氨酸213附着在单壁碳纳米管上以及随后TEM-1和KPC-2的关联而引起的静电变化。根据静电势，研究人员推断出其对单壁碳纳米管中载流子密度的影响，进而推断出对其电导的影响。
图3：分析物结合时静电势的变化
所设计的BLIP2受体CNT-FET的电导率
接下来，研究人员测试了他们的模型，以查看电导率是否在CNT-FET设置中以预期的方式变化。使用的所有CNT-FET均由p型单壁碳纳米管组成，他们在依次添加受体BLIP2（图2d）、分析物BL（图4a）时测量了电流-电压分布（I-V）。
图4：添加BL之后，对光化学附着在CNT-FET器件上的BLIP2叠氮苯丙氨酸突变体进行电导率测量
生物CNT-FET器件的使用为生物传感甚至分子电子学提供了巨大的潜力，而优化器件设计过程尤为重要。
在此，研究人员展示了计算机模拟建模（in silico modelling）有潜力预测可利用的受体附着位点，以及单壁碳纳米管（其在FET生物传感器中作为传感单元，表现出预期的电导变化）所采集到的可能的静电势。关键是使用非标准氨基酸，将偶联位点限制在受体上的一个确定的残基上，从而提供与单壁碳纳米管的均匀和精确的附着，进而确定建模过程。
研究人员设想，该方法可以被更广泛地使用，从而实现优化的蛋白质受体附着，以改进分析物传感。最终，可以开发一套简化的流程，通过简单地提供受体-分析物序列，就能生成可供他们使用的最佳生物场效应晶体管（bioFET）构建的设计方案。该建模方法也将为进一步认识蛋白质-生物纳米混合系统可能的空间和功能间的关系提供有益的帮助，同时帮助研究人员明晰开发中各步骤的基本原理。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51325-6
《DNA测序技术及市场-2022版》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《碳纳米管（CNT）市场、技术及厂商-2022版》《同种异体嵌合抗原受体（Allogeneic CAR）专利全景分析-2023版》
碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）作为下一代微型生物传感器，具有广阔的发展前景。但如何对具有独特静电表面的蛋白质进行建模，以期与CNT-FET相互作用以调节电导是一项很大的挑战。
据麦姆斯咨询报道，近期，英国卡迪夫大学（Cardiff University）、伦敦玛丽女王大学（Queen Mary University of London）、加拿大蒙特利尔大学（Université de Montréal）和韩国首尔女子大学（Seoul Women’s University）的研究人员利用先进的采样分子动力学结合非标准氨基酸化学，对单壁碳纳米管（SWCNT）上的蛋白质静电势（ESP）进行建模。因为β-内酰胺酶结合蛋白2（BLIP2）能结合抗生素降解酶β-内酰胺酶（BL），故研究人员着眼于将BLIP2作为受体，使用基因编码的苯基叠氮化物光化学方法，BLIP2通过单个选定的残基附着到单壁碳纳米管上。研究人员开发的新型器件可检测两种不同的BL——TEM-1和KPC-2，由于它们表面静电分布情况不同，每种BL都会产生不同的电导分布。电导的变化与单壁碳纳米管在BL结合时所采样的模型静电分布相匹配。因此，研究人员的建模方法与残基特异性受体附着相结合，可以为系统构建CNT-FET生物传感器提供一种通用的方法。
研究人员将精力集中在检测BL——这是导致抗菌素耐药性（AMR）的主要因素之一，细菌分泌的A类丝氨酸BL（如临床上重要的TEM-1和KPC-2）是β-内酰胺类抗生素产生耐药性的主要原因，因此在感染期间快速检测它们对于实施合适的抗生素治疗至关重要。BLIP2（如图1e所示）是A类BL近乎“通用”的结合剂，因此可作为检测多种BL（如TEM-1和KPC-2）的理想受体蛋白。BLIP2利用环状结构的圆形排列识别BL活性位点的三维排列（图1e）。虽然TEM-1和KPC-2在结构上（Cα均方根偏差为0.81Å）和功能上相似，但由于构成每种BL的带电氨基酸的数量和分布不同，它们具有不同的静电表面轮廓（图1f）。
图1：CNT-FET设计
通过结合计算建模方法、基因密码重编程、化学生物学和纳米级生物传感器件的制造，研究人员成功地将BLIP2光化学附着在定义的、被设计的残基上，从而能够检测TEM-1和KPC-2；由于靠近单壁碳纳米管表面所呈现出的独特表面静电斑存在差异，每种BL都会产生不同的电导分布。电导的变化与单壁碳纳米管在BL结合时采样到的模型静电分布高度匹配。
受体蛋白附着位点的可行性建模
最近，研究人员开发了一种方法，通过非标准氨基酸叠氮苯丙氨酸（azF，4-叠氮-L-苯丙氨酸）的基因编码苯基叠氮化物化学，可使一种蛋白质与纳米碳（包括单壁碳纳米管）直接精确且密切地附着。与需要较长附着体的芘基附着方法相比，直接苯基叠氮化物光化学插入法在受体蛋白（以及分析物蛋白）和单壁碳纳米管表面之间提供了更紧密的附着，从而有可能实现更高效的信号转导。
图2：BLIP2突变体（左列为叠氮苯丙氨酸41，右列为叠氮苯丙氨酸213）的叠氮苯丙氨酸侧链旋转异构体结构和单壁碳纳米管结合的建模
在此，研究人员旨在设计一种精准的方法来模拟受体蛋白可能的初始结合方向，方便他们估算进入的分析物蛋白和单壁碳纳米管之间的距离和静电影响。BLIP2将作为碳纳米管上的受体蛋白，这既是因为其在抗菌素耐药性诊断中的潜力，也是为了测试研究人员的建模方法。由于BLIP2结合了一系列不同的BL，这使研究人员能够对具有不同静电表面的独特分析物蛋白影响单壁碳纳米管进而影响电导的方式进行建模。
蛋白质在单壁碳纳米管上的静电效应建模
针对蛋白质对单壁碳纳米管电导通道的静电影响进行建模的能力，对于成功设计FET生物传感器至关重要。在此，研究人员开发了一种对蛋白质与单壁碳纳米管结合的静电效应进行建模的方法。具体如下：（1）使用全原子、溶剂显式哈密顿副本交换分子动力学（H-REMD）建模，对受体蛋白相对于碳纳米管的取向进行全面采样；（2）利用静电泊松-玻尔兹曼模拟（Poisson-Boltzmann simulations）确定这些取向在单壁碳纳米管表面上产生的静电势。利用这一过程，研究人员量化了由于BLIP2通过叠氮苯丙氨酸41或叠氮苯丙氨酸213附着在单壁碳纳米管上以及随后TEM-1和KPC-2的关联而引起的静电变化。根据静电势，研究人员推断出其对单壁碳纳米管中载流子密度的影响，进而推断出对其电导的影响。
图3：分析物结合时静电势的变化
所设计的BLIP2受体CNT-FET的电导率
接下来，研究人员测试了他们的模型，以查看电导率是否在CNT-FET设置中以预期的方式变化。使用的所有CNT-FET均由p型单壁碳纳米管组成，他们在依次添加受体BLIP2（图2d）、分析物BL（图4a）时测量了电流-电压分布（I-V）。
图4：添加BL之后，对光化学附着在CNT-FET器件上的BLIP2叠氮苯丙氨酸突变体进行电导率测量
生物CNT-FET器件的使用为生物传感甚至分子电子学提供了巨大的潜力，而优化器件设计过程尤为重要。
在此，研究人员展示了计算机模拟建模（in silico modelling）有潜力预测可利用的受体附着位点，以及单壁碳纳米管（其在FET生物传感器中作为传感单元，表现出预期的电导变化）所采集到的可能的静电势。关键是使用非标准氨基酸，将偶联位点限制在受体上的一个确定的残基上，从而提供与单壁碳纳米管的均匀和精确的附着，进而确定建模过程。
研究人员设想，该方法可以被更广泛地使用，从而实现优化的蛋白质受体附着，以改进分析物传感。最终，可以开发一套简化的流程，通过简单地提供受体-分析物序列，就能生成可供他们使用的最佳生物场效应晶体管（bioFET）构建的设计方案。该建模方法也将为进一步认识蛋白质-生物纳米混合系统可能的空间和功能间的关系提供有益的帮助，同时帮助研究人员明晰开发中各步骤的基本原理。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51325-6
《DNA测序技术及市场-2022版》
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《碳纳米管（CNT）市场、技术及厂商-2022版》《同种异体嵌合抗原受体（Allogeneic CAR）专利全景分析-2023版》
