文｜動脈網(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，過程中的自動控制對于提高生產(chǎn)率和節(jié)能環(huán)保有著重要意義。雖然物理參數(shù)的檢測與控制已經(jīng)相對成熟，但生物參數(shù)如生物量、代謝物、底物和產(chǎn)物的在線監(jiān)測仍是難題。
過去，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)的進步，使用生物傳感器對生物參數(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，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胞生長。
簡單來說，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，來識別待測生物化學(xué)物質(zhì)，并將其濃度轉(zhuǎn)化為電信號進行檢測的一類傳感器。它有著專一性強、分析速度快、準(zhǔn)確度高、操作系統(tǒng)簡單以及成本的特點。
不僅是在制造環(huán)節(jié)，生物傳感器因其便攜和測定快速的特點，在POCT、可穿戴、環(huán)境監(jiān)測、口岸檢疫及違禁化合物檢測等多個場景都有廣泛應(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、抗血小板和護肝等活性。
過去，4HPAA可以通過不同底物的化學(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程中快速識別和篩選出具有較高4-HPAA產(chǎn)量和耐受性的突變菌株，對篩選出的突變株進行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，通過將優(yōu)選的特性結(jié)合在一起，進一步對菌株進行改良。最終的結(jié)果是4HPAA的效價提高了約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)計用于監(jiān)測細胞代謝，并與高通量篩選策略整合，以通過與報告基因偶聯(lián)來提高從多樣化文庫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，檢測分析物的生物分子或細胞和將檢測分析轉(zhuǎn)化為電信號輸出。因此，根據(jù)傳感器輸出信號的產(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別元件的不同又可分為酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細胞及細胞器傳感器、基因傳感器、免疫傳感器等。
此外，根據(jù)信號轉(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)檢測對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、營養(yǎng)保健品、食品等領(lǐng)域占比越來越大。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，生物反應(yīng)過程的監(jiān)測和控制變得越來越重要，迫切需要更加高效的生物傳感器。
生物傳感器的持續(xù)進化
隨著生物制藥的工藝越來越復(fù)雜化，迫切需要更有效的過程控制方法，生物傳感器的快速發(fā)展也被認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，它能夠感知細胞內(nèi)外代謝物濃度變化及外界環(huán)境波動，產(chǎn)生可測量的信號輸出或調(diào)控通路中的基因表達水平，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷以及細胞工廠的監(jiān)測與調(diào)控。
一般來說，基因編碼型生物傳感器主要包含信號識別與轉(zhuǎn)換模塊和信號輸出模塊。
前者需要傳感元件具有高度特異性，防止其他輸入信號帶來干擾?；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平臺組成，適配體會隨著對特定配體的響應(yīng)而改變其結(jié)構(gòu)，進而在轉(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）、細胞質(zhì)中的反應(yīng)調(diào)節(jié)因子（RR）和輸出啟動子組成.
基因編碼型生物傳感器在一些微生物代謝動態(tài)調(diào)控中的應(yīng)用，圖源10.13523/j.cb.2303019
對于信號輸出模塊，它需要可測量的報告基因、細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告元件，包括GFP、eGFP、mCherry以及改進后的熒光蛋白如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，特別是將多個生物傳感器聯(lián)用進行多功能動態(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現(xiàn)了對 4-羥基異亮氨酸（4-HIL）的三功能動態(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Ile響應(yīng)的TF生物傳感器調(diào)控ido、odhI和vgb表達，達到協(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。
基因組測序和合成生物學(xué)的進步促進了生物傳感器的設(shè)計、構(gòu)建和應(yīng)用。在過去一段時間里，基因編碼型生物傳感器的應(yīng)用已經(jīng)從簡單的代謝物傳感和報告轉(zhuǎn)移到了更復(fù)雜的遺傳系統(tǒng)，如動態(tài)和多層的遺傳線路，成為精細控制的先進工具。
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)測轉(zhuǎn)錄因子的方法和數(shù)據(jù)庫，但在設(shè)計和構(gòu)建基因編碼型生物傳感器時，往往需要根據(jù)實際需求來優(yōu)化傳感器性能，包括特異性、靈敏度、工作范圍和動態(tài)范圍等。
盡管啟動子工程、蛋白質(zhì)工程等調(diào)節(jié)機制較為明確，但往往需要不斷試錯循環(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一步優(yōu)化生物傳感器的設(shè)計。
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，這些年國內(nèi)市場從雅培的一家獨大，到包括微泰醫(yī)療、硅基仿生以及三諾生物等為代表的國產(chǎn)CGM陸續(xù)獲批上市參與競爭，背后都離不開酶傳感和葡萄糖傳感技術(shù)的進步。未來隨著傳感器技術(shù)的進一步發(fā)展，無創(chuàng)血糖檢測將是下一階段沖刺的目標(biāo)。
生物傳感器仍然還在不斷進化，包括對代謝物（包括氨基酸、天然產(chǎn)物、有機酸等）和環(huán)境變化（包括溫度、pH、光等）響應(yīng)特異性強、靈敏度高的基因編碼型生物傳感器，不同的細胞類型如細菌、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)等多個學(xué)科交叉融合，生物傳感器迎來百花齊放的景象。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，未來還將在更多領(lǐng)域發(fā)揮其價值。
應(yīng)用場景廣闊，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，它利用生物分子識別和檢測特定化合物的特性使得其在醫(yī)療健康監(jiān)測、疾病診斷甚至環(huán)境監(jiān)測等多個領(lǐng)域都有極佳的應(yīng)用場景。
在疾病檢測方面，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，通過識別并響應(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，檢測出發(fā)光或顏色變化的信號，有助于實現(xiàn)在無癥狀早期階段識別疾病，從而提供及時的治療介入。
這一切得益于通過如啟動子工程、核糖體結(jié)合位點修改等方法實現(xiàn)細胞DNA的重新編程，從而構(gòu)建復(fù)雜的人工基因網(wǎng)絡(luò)，定制微生物或細胞來產(chǎn)生響應(yīng)特定化學(xué)或生物信號并轉(zhuǎn)化為可檢測的信號，使得傳感器能夠敏感地反映出病理狀態(tài)。
此外，針對心血管疾病，生物傳感器還可以檢測血液中的心肌損傷標(biāo)志物，如心臟肌鈣蛋白，實現(xiàn)疾病早期預(yù)警。同時，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)療機構(gòu)外進行快速檢測，從而提高常規(guī)健康監(jiān)測水平，為及時醫(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，用于通過原位汗液分析自動和非侵入性監(jiān)測雌二醇。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。
為了實現(xiàn)自動監(jiān)測，研究人員設(shè)計了一個完全集成的無線可穿戴系統(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，可實現(xiàn)方便的家庭生殖激素監(jiān)測。同時還能配合其他監(jiān)測裝置實現(xiàn)各種個性化醫(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。如化療過程中，通過生物傳感器可以實時追蹤藥物在體內(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，實現(xiàn)個性化治療。
總體而言，生物傳感器下游應(yīng)用場景極為廣闊，從生物制品生產(chǎn)過程的監(jiān)督質(zhì)控，到院內(nèi)POCT、居家檢測、24小時監(jiān)護等醫(yī)療場景，甚至邊防、海關(guān)、公安、衛(wèi)生等機構(gòu)部門的檢疫檢驗，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)備的市場規(guī)模在2030年分別能達到686億美元和614億美元。據(jù)智研瞻的數(shù)據(jù)，我國生物傳感器市場規(guī)模從2015年的49.5億元增長至2023年的137.28億元。隨著下游應(yīng)用場景的不斷拓展，中國的生物傳感器市場規(guī)模還將持續(xù)擴張。
國內(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，高校也開始行動起來。今年就有6所高校新增了智能傳感器特設(shè)專業(yè)，全國目前共有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
中國生物傳感器行業(yè)的發(fā)展得益于國家對生物技術(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)保等多個領(lǐng)域發(fā)展迅速。盡管中國傳感器技術(shù)與世界先進水平相比仍存在差距，但中國生物傳感器行業(yè)正通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)，提升其在國際市場上的競爭力。