文｜動(dòng)脈網(wǎng)
隨著生物反應(yīng)工程被大量應(yīng)用于生產(chǎn)工業(yè)品、藥品或食品等產(chǎn)品，過(guò)程中的自動(dòng)控制對(duì)于提高生產(chǎn)率和節(jié)能環(huán)保有著重要意義。雖然物理參數(shù)的檢測(cè)與控制已經(jīng)相對(duì)成熟，但生物參數(shù)如生物量、代謝物、底物和產(chǎn)物的在線監(jiān)測(cè)仍是難題。
過(guò)去，多使用從生物反應(yīng)器中采樣分析的方式即離線分析，但隨著合成生物學(xué)各類技術(shù)的進(jìn)步，使用生物傳感器對(duì)生物參數(shù)的在線監(jiān)控，從而微調(diào)參與內(nèi)源和異源途徑的酶的表達(dá)，平衡它們的代謝通量，朝向靶產(chǎn)物的代謝通量而不干擾細(xì)胞生長(zhǎng)。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，生物傳感器是利用某些生物活性物質(zhì)所具有的高度選擇性，來(lái)識(shí)別待測(cè)生物化學(xué)物質(zhì)，并將其濃度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的一類傳感器。它有著專一性強(qiáng)、分析速度快、準(zhǔn)確度高、操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單以及成本的特點(diǎn)。
不僅是在制造環(huán)節(jié)，生物傳感器因其便攜和測(cè)定快速的特點(diǎn)，在POCT、可穿戴、環(huán)境監(jiān)測(cè)、口岸檢疫及違禁化合物檢測(cè)等多個(gè)場(chǎng)景都有廣泛應(yīng)用空間。
精準(zhǔn)控制凸顯應(yīng)用潛力
生物傳感器對(duì)于規(guī)?；a(chǎn)極為重要。
以4-羥基苯乙酸（4HPAA）為例，它是合成藥品的重要原料，可被用于合成高血壓藥（阿替洛爾）、心血管藥物（美托洛爾和倍他洛爾），以及抗抑郁藥、消炎鎮(zhèn)痛藥、抗生素等，具有抗炎、抗腫瘤、抗焦慮、抗血小板和護(hù)肝等活性。
過(guò)去，4HPAA可以通過(guò)不同底物的化學(xué)合成獲得，如苯甲醚、p-甲酚、苯酚、芐基苯醚或羥基曼德酸，但這樣的化學(xué)合成法生產(chǎn)污染嚴(yán)重。在尋找4HPAA生物合成的路徑中，生物傳感器扮演了重要角色。
首先，生物傳感器能夠幫助研究人員在菌株改造過(guò)程中快速識(shí)別和篩選出具有較高4-HPAA產(chǎn)量和耐受性的突變菌株，對(duì)篩選出的突變株進(jìn)行4HPAA的產(chǎn)生能力和耐4HPAA能力鑒定。然后，基因組改組被應(yīng)用于這些菌株，通過(guò)將優(yōu)選的特性結(jié)合在一起，進(jìn)一步對(duì)菌株進(jìn)行改良。最終的結(jié)果是4HPAA的效價(jià)提高了約120%。
基于生物傳感器的生物策略在合成生物學(xué)和代謝工程中起著革命性的作用。
如今，生物傳感器被設(shè)計(jì)用于監(jiān)測(cè)細(xì)胞代謝，并與高通量篩選策略整合，以通過(guò)與報(bào)告基因偶聯(lián)來(lái)提高從多樣化文庫(kù)中選擇靶菌株的效率。因此，生物傳感器被視為解決工程化微生物細(xì)胞工廠用于高效生物合成瓶頸的關(guān)鍵方法。
生物傳感器通常由兩部分組成，檢測(cè)分析物的生物分子或細(xì)胞和將檢測(cè)分析轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。因此，根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的產(chǎn)生方式，可分為親和型生物傳感器、代謝型生物傳感器、催化型生物傳感器。根據(jù)生物傳感器中分子識(shí)別元件的不同又可分為酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞及細(xì)胞器傳感器、基因傳感器、免疫傳感器等。
此外，根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換方式的不同，又可分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、熱學(xué)型生物傳感器、光學(xué)型生物傳感器、聲學(xué)型生物傳感器等。根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的多寡又可分為單功能型生物傳感器和多功能型生物傳感器。
如今，生物產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)在藥品、營(yíng)養(yǎng)保健品、食品等領(lǐng)域占比越來(lái)越大。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，生物反應(yīng)過(guò)程的監(jiān)測(cè)和控制變得越來(lái)越重要，迫切需要更加高效的生物傳感器。
生物傳感器的持續(xù)進(jìn)化
隨著生物制藥的工藝越來(lái)越復(fù)雜化，迫切需要更有效的過(guò)程控制方法，生物傳感器的快速發(fā)展也被認(rèn)為是突圍高效生物合成的優(yōu)質(zhì)工具。
以基因編碼型生物傳感器為例，它能夠感知細(xì)胞內(nèi)外代謝物濃度變化及外界環(huán)境波動(dòng)，產(chǎn)生可測(cè)量的信號(hào)輸出或調(diào)控通路中的基因表達(dá)水平，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷以及細(xì)胞工廠的監(jiān)測(cè)與調(diào)控。
一般來(lái)說(shuō)，基因編碼型生物傳感器主要包含信號(hào)識(shí)別與轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)輸出模塊。
前者需要傳感元件具有高度特異性，防止其他輸入信號(hào)帶來(lái)干擾?；谵D(zhuǎn)錄因子的生物傳感是最常見的，包括響應(yīng)氨基酸、有機(jī)酸、丙二酰輔酶Ａ、大環(huán)內(nèi)酯類抗生素、維生素等物質(zhì)的轉(zhuǎn)錄因子已被成功用于基因編碼型生物傳感器的構(gòu)建中。
基于核酸的生物傳感器一般由適配體和表達(dá)平臺(tái)組成，適配體會(huì)隨著對(duì)特定配體的響應(yīng)而改變其結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在轉(zhuǎn)錄或翻譯水平上調(diào)節(jié)與其相互作用的mRNA或下游基因。其中茶堿RNA適配體、核糖體開關(guān)已成為合成生物學(xué)中廣泛使用的調(diào)控元件。
雙組分系統(tǒng)（TCS)是一類典型的多步信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，也是合成生物學(xué)中一類重要的傳感器。典型的TCS生物傳感器由膜上的傳感器組氨酸激酶（SHK）、細(xì)胞質(zhì)中的反應(yīng)調(diào)節(jié)因子（RR）和輸出啟動(dòng)子組成.
基因編碼型生物傳感器在一些微生物代謝動(dòng)態(tài)調(diào)控中的應(yīng)用，圖源10.13523/j.cb.2303019
對(duì)于信號(hào)輸出模塊，它需要可測(cè)量的報(bào)告基因、細(xì)胞存活及特定代謝通路開閉等。熒光蛋白是目前最常用的一類報(bào)告元件，包括GFP、eGFP、mCherry以及改進(jìn)后的熒光蛋白如staygold、mRFP、YTP等被用于構(gòu)建生物傳感器。
隨著理論和分子生物學(xué)的發(fā)展，基因編碼型生物傳感器已被應(yīng)用于各種代謝通路和代謝節(jié)點(diǎn)，特別是將多個(gè)生物傳感器聯(lián)用進(jìn)行多功能動(dòng)態(tài)控制。
例如聯(lián)用基于轉(zhuǎn)錄因子和核糖體開關(guān)的生物傳感器，在谷氨酸棒桿菌中實(shí)現(xiàn)了對(duì) 4-羥基異亮氨酸（4-HIL）的三功能動(dòng)態(tài)控制。4-HIL由α-酮戊二酸（α-KG）、O?和Ile在異亮氨酸羥化酶（由ido編碼）的催化下合成。通過(guò)Ile響應(yīng)的TF生物傳感器調(diào)控ido、odhI和vgb表達(dá)，達(dá)到協(xié)同控制α-KG和O?供應(yīng)的目的。最終獲得了高產(chǎn)4-HIL且副產(chǎn)物含量極低的優(yōu)良菌株。
基因組測(cè)序和合成生物學(xué)的進(jìn)步促進(jìn)了生物傳感器的設(shè)計(jì)、構(gòu)建和應(yīng)用。在過(guò)去一段時(shí)間里，基因編碼型生物傳感器的應(yīng)用已經(jīng)從簡(jiǎn)單的代謝物傳感和報(bào)告轉(zhuǎn)移到了更復(fù)雜的遺傳系統(tǒng)，如動(dòng)態(tài)和多層的遺傳線路，成為精細(xì)控制的先進(jìn)工具。
目前應(yīng)用較為廣泛的是基于轉(zhuǎn)錄因子的生物傳感器，相對(duì)于自然界中數(shù)量龐大的小分子，已發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)錄因子數(shù)量有限，雖然已有一些預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)錄因子的方法和數(shù)據(jù)庫(kù)，但在設(shè)計(jì)和構(gòu)建基因編碼型生物傳感器時(shí)，往往需要根據(jù)實(shí)際需求來(lái)優(yōu)化傳感器性能，包括特異性、靈敏度、工作范圍和動(dòng)態(tài)范圍等。
盡管啟動(dòng)子工程、蛋白質(zhì)工程等調(diào)節(jié)機(jī)制較為明確，但往往需要不斷試錯(cuò)循環(huán)才能得到理想的性能參數(shù)。此外，生物傳感器在不同宿主之間的普適性問(wèn)題也是一大挑戰(zhàn)，尤其是將原核生物傳感器引入真核生物時(shí)存在很大困難。因此開發(fā)在不同宿主中穩(wěn)定且適用的通用傳感元件至關(guān)重要，隨著深度學(xué)習(xí)和人工智能的參與有望進(jìn)一步優(yōu)化生物傳感器的設(shè)計(jì)。
從商業(yè)化的角度，目前發(fā)展得較好的生物傳感器產(chǎn)品有血糖儀、固定化酶系列生物傳感分析儀、BOD微生物分析儀、SPR表面等離子體共振分析系統(tǒng)以及智能胰島素泵等。以近幾年發(fā)展得如火如荼的CGM為例，這些年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)從雅培的一家獨(dú)大，到包括微泰醫(yī)療、硅基仿生以及三諾生物等為代表的國(guó)產(chǎn)CGM陸續(xù)獲批上市參與競(jìng)爭(zhēng)，背后都離不開酶?jìng)鞲泻推咸烟莻鞲屑夹g(shù)的進(jìn)步。未來(lái)隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)創(chuàng)血糖檢測(cè)將是下一階段沖刺的目標(biāo)。
生物傳感器仍然還在不斷進(jìn)化，包括對(duì)代謝物（包括氨基酸、天然產(chǎn)物、有機(jī)酸等）和環(huán)境變化（包括溫度、pH、光等）響應(yīng)特異性強(qiáng)、靈敏度高的基因編碼型生物傳感器，不同的細(xì)胞類型如細(xì)菌、真菌、藻類、病毒和其他高等真核生物也被用于生物傳感器制造。
經(jīng)過(guò)50余年的發(fā)展，得益于生命科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)和信息技術(shù)等多個(gè)學(xué)科交叉融合，生物傳感器迎來(lái)百花齊放的景象。如今，以合成生物學(xué)為代表的生物制造被樹立為今后的發(fā)展方向，生物傳感研究在人工智能、新材料及大數(shù)據(jù)等新興學(xué)科的加持下，未來(lái)還將在更多領(lǐng)域發(fā)揮其價(jià)值。
應(yīng)用場(chǎng)景廣闊，輻射更多下游應(yīng)用
生物傳感器不僅在生物合成環(huán)節(jié)能發(fā)揮作用，它利用生物分子識(shí)別和檢測(cè)特定化合物的特性使得其在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)、疾病診斷甚至環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域都有極佳的應(yīng)用場(chǎng)景。
在疾病檢測(cè)方面，生物傳感器已成功應(yīng)用于諸如癌癥、心血管疾病和糖尿病等多種疾病的早期診斷。例如，在癌癥早期診斷中，通過(guò)識(shí)別并響應(yīng)血液中極低濃度的癌癥標(biāo)志物如相關(guān)的核酸、受體或分泌蛋白等，檢測(cè)出發(fā)光或顏色變化的信號(hào)，有助于實(shí)現(xiàn)在無(wú)癥狀早期階段識(shí)別疾病，從而提供及時(shí)的治療介入。
這一切得益于通過(guò)如啟動(dòng)子工程、核糖體結(jié)合位點(diǎn)修改等方法實(shí)現(xiàn)細(xì)胞DNA的重新編程，從而構(gòu)建復(fù)雜的人工基因網(wǎng)絡(luò)，定制微生物或細(xì)胞來(lái)產(chǎn)生響應(yīng)特定化學(xué)或生物信號(hào)并轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)的信號(hào)，使得傳感器能夠敏感地反映出病理狀態(tài)。
此外，針對(duì)心血管疾病，生物傳感器還可以檢測(cè)血液中的心肌損傷標(biāo)志物，如心臟肌鈣蛋白，實(shí)現(xiàn)疾病早期預(yù)警。同時(shí)，這些傳感器還能集成到便攜式設(shè)備中，如穿戴式設(shè)備和IVD，使其可以在醫(yī)療機(jī)構(gòu)外進(jìn)行快速檢測(cè)，從而提高常規(guī)健康監(jiān)測(cè)水平，為及時(shí)醫(yī)療干預(yù)提供了支撐。
加州理工大學(xué)曾研發(fā)了一種基于靶點(diǎn)誘導(dǎo)鏈位移的皮膚界面可穿戴適配體納米生物傳感器，用于通過(guò)原位汗液分析自動(dòng)和非侵入性監(jiān)測(cè)雌二醇。雌二醇指標(biāo)異常在病理情況下多見于女性性早熟、卵巢腫瘤、垂體瘤、肝硬化等疾病。
為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)完全集成的無(wú)線可穿戴系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了用于局部汗液刺激的離子電泳水凝膠、用于汗液收集的微流體和用于雌二醇傳感和校準(zhǔn)的功能化傳感器，并確定了汗液和血清雌二醇水平之間的相關(guān)性，可實(shí)現(xiàn)方便的家庭生殖激素監(jiān)測(cè)。同時(shí)還能配合其他監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)各種個(gè)性化醫(yī)療應(yīng)用。
在治療監(jiān)控方面，生物傳感器也能發(fā)揮巨大作用。如化療過(guò)程中，通過(guò)生物傳感器可以實(shí)時(shí)追蹤藥物在體內(nèi)的濃度及其代謝產(chǎn)物，從而使醫(yī)生能夠精準(zhǔn)調(diào)整藥物劑量，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化治療。
總體而言，生物傳感器下游應(yīng)用場(chǎng)景極為廣闊，從生物制品生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)督質(zhì)控，到院內(nèi)POCT、居家檢測(cè)、24小時(shí)監(jiān)護(hù)等醫(yī)療場(chǎng)景，甚至邊防、海關(guān)、公安、衛(wèi)生等機(jī)構(gòu)部門的檢疫檢驗(yàn)，都能發(fā)揮作用。
據(jù)Grand View Research和QYResearch的數(shù)據(jù)，全球僅POCT和醫(yī)療可穿戴設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模在2030年分別能達(dá)到686億美元和614億美元。據(jù)智研瞻的數(shù)據(jù)，我國(guó)生物傳感器市場(chǎng)規(guī)模從2015年的49.5億元增長(zhǎng)至2023年的137.28億元。隨著下游應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，中國(guó)的生物傳感器市場(chǎng)規(guī)模還將持續(xù)擴(kuò)張。
國(guó)內(nèi)雖有不少傳感器供應(yīng)商，但大多以工業(yè)使用為主，不太符合醫(yī)療領(lǐng)域的需求。因此，有不少醫(yī)療企業(yè)選擇了自主研發(fā)這條路。隨著生物制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，除了企業(yè)外，高校也開始行動(dòng)起來(lái)。今年就有6所高校新增了智能傳感器特設(shè)專業(yè)，全國(guó)目前共有38所院校設(shè)置了該專業(yè)。
部分生物傳感器企業(yè)，根據(jù)公開信息收集整理
中國(guó)生物傳感器行業(yè)的發(fā)展得益于國(guó)家對(duì)生物技術(shù)、信息技術(shù)和材料科學(xué)的重視，生物傳感器在生命科學(xué)、醫(yī)療領(lǐng)域、食品和環(huán)保等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)展迅速。盡管中國(guó)傳感器技術(shù)與世界先進(jìn)水平相比仍存在差距，但中國(guó)生物傳感器行業(yè)正通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)，提升其在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。