酶標儀高端玩家指南：搭載合成生物學傳感器的可穿戴設備研發

每當凜冬來臨，各種病毒病原體愈發蠢蠢欲動，走了新冠病毒來了支原體，時不時甲流乙流也來發動助攻。當下使用智能手表檢測心率、血氧飽和度等已經非常普及，那么有沒有更好的方式能夠及時發現來襲的各種討厭的病毒呢？放心，來自全 球各地的科學家正在火熱的研究各種新鮮好玩的可穿戴傳感器。

大家可能想不到，在這樣一個揉合了多學科的好玩前沿領域中，名不見經傳的多功能酶標儀（學名多功能微孔板檢測儀），究竟能發揮什么樣的作用呢？接下來，就讓我們圍觀一下來自全 球高端玩家的玩機指南吧！

無細胞冷凍干燥可穿戴技術（wFDCF）

來自哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所和麻省理工學院的研究人員開發了一種基于 CRISPR 技術的可穿戴的合成生物學傳生物感器，在無需引入活工程細菌的情況下，只需簡單的水溶液暴露，即可激活該生物傳感器（wearable freeze-dried, cell-free, wFDCF），從而用以檢測環境中的病原體和毒素，并發出熒光信號報告。更棒的是，研究團隊還將這一技術集成到了標準口罩中，以檢測患者呼吸中，以及空氣中是否存在 SARS-CoV-2 病毒，該技術的檢測限可以與目前的實驗室方法（例如 qPCR）相媲美。

在這項研究種，Agilent BioTek 的 SynergyNEO HTS 多功能酶標儀主要用于適配 wFDCF 傳感器的紡織物材料的高通量篩選，以及驗證基于 CRISPR 的 wFDCF 傳感器用于 RNA 直接檢測的有效性這兩方面。

SnynergyNEO 開展紡織品中 FDCF 合成生物學反應的高通量篩選

研究團隊Z初設計了一種基于比色法信號輸出的 wFDCF 傳感器，由三層皮膚安全材料制成的有機硅彈性體逐層組裝而成，FDCF 反應傳感器嵌入其中，組裝好的傳感器具有合適的彈性和柔韌性以支持可穿戴設計。液態樣本在Z上層的入口進入后通過毛細管作用快速進入反應室。合成生物學的電路傳感器輸出采用 LacZ β-半乳糖苷酶操縱子，其能夠水解氯酚紅-β-d-半乳糖苷（CPRG），當暴露于靶標后會發生黃到紫色的變化。通過這樣的巧妙設計，研究團隊測試了不同的傳感器模型，用于檢測小分子或病毒 RNA（圖 1）。

圖 1：比色法信號輸出的 wFDCF 傳感器設計示意圖

隨后，研究團隊深入繼續深入該傳感器的檢測靈敏度和適用范圍，將其應用于日常穿戴的紡織物中，并開發基于熒光檢測信號輸出的檢測體系，此項工作的第 一步，便是篩選出更加適合的 FDCF 傳感器紡織品載體。

篩選實驗流程簡介

1、先將 103 種織物樣本預處理，包括去除顆粒、洗滌等，每種織物分為 BSA 封閉處理和未處理兩組，干燥處理后用打孔器制成 2mm 的樣本，每個樣本設置三個重復，移入 384 孔板底部，對照組選擇 Whatman No.4 號濾紙。

2、隨后每孔內加入等量的包含 0.6mg/mL CPRG 的定制 LacZ 模板的 PURExpress 游離體外蛋白合成液，微孔板密封留孔后整板凍干。

3、凍干后的紡織物待測板子加入 ddH2O 水化至初始反應體積。

4、使用 SynergyNEO 微孔板檢測儀在 37℃ 的條件下，對樣本 384 孔板進行長達 12 小時的動態比色反應（OD420nm）檢測，用于評價每種紡織物的 FDCF 傳感器的合成生物學反應效果。

數據處理和篩選結果

動力學顯色反應結束后在微孔板中可觀察到明顯的顯色反應變化，SynergyNEO 和 Gen5 軟件能夠自動生成每個樣本的動力學數據結果，用戶后續的參數統計和分析（圖 2）。通過 OD420 峰值吸收光強度、動力學平均反應速率、到達Z大信號時間、滯后時間（LagTime）等動力學參數聯合紡織物密度和自發熒光等參數，設計了篩選評分，Z后研究團隊選擇了使用 85% 的聚酯纖維和 15% 的聚酰胺纖維的織物用于后續的熒光和發光信號輸出傳感器的載體（圖 3）。

圖 2：SynergyNEO 用于篩選 FDCF 適配的紡織物結果

圖 3：wFDCF 比色紡織品篩選的歸一化功能評分結果

SynergyNEO 驗證 CRISPR-wFDCF 用于 RNA 直接檢測的有效性

CRISPR 技術用于基因編輯領域已經是非常成熟和熱門的技術，除了基因編輯，這項技術在分子檢測領域也是大放異彩，早在 COVID-19 爆發不久，CRISPR 領域大神華人科學家張鋒于 2020 年發表了使用 CRISPR 診斷工具檢測新型冠狀病毒 COVID-19 的 SHERLOCK 技術，詳細介紹了標本提取和檢測的方案。隨后，馬薩諸塞州劍橋市的夏洛克生物科學公司（Sherlock Biosciences）獲得了美國食品和藥物管理局 (FDA) 的緊急使用授權 (EUA)，用于檢測導致 COVID-19 的病毒的 SHERLOCK CRISPR SARS-CoV-2 試劑盒，這是 FDA S次授權使用 CRISPR 技術。安捷倫的 BioTek SynergyNeo2 是當時市場上唯 一被批準用于 SHERLOCK SARS-CoV-2 診斷測試的微孔板讀板機。

由于 SHERLOCK 技術具有靈敏度高，響應速度快、單堿基對分辨率、凍干兼容性和面向任意 DNA/RNA 序列的可編程性等諸多優點，該研究團隊將此技術融入到 wFDCF 的設計中，研究團隊開發了一種可以檢測呼出氣溶膠中 SARS-CoV-2 的口罩，只需按下病毒外側的按鈕，啟動傳感器內三種不同的生物反應，第 一種反應用于破壞新冠病毒的蛋白外殼，暴露其內部的 RNA；第二個反應是一個常溫 PCR 擴增步驟，特異性擴增新冠病毒的刺突蛋白 （S 蛋白） 的基因片段；Z后第三個反應使用基于 CRISPR-Cas13a 的 SHERLOCK 技術來檢測病毒的 S 基因，被激活的 Cas13a 將熒光-DNA 探針分子切成兩個更小的片段，在口罩內部的 LAF 窗口會顯示出肉眼可見的條帶（圖 4）。

除此之外，研究團隊還繼續開發了光纖網絡集成的 wFCDF 傳感器，能夠產生更客觀可靠的熒光數據信號，可以通過智能手機的 APP 實時查看該信號。

圖 4：口罩式用于檢測 SARS-Cov-2 的集成化可穿戴設備設計

為了驗證這種融合了 SHERLOCK 技術的 wFDCF 的有效性，使用 SynergyNEO 測試了 CRISPR-Cas13a 系統直接檢測病毒 RNA 的效果。

檢測流程簡介

1、制備 A CRISPR-Cas13a-MRSA SHERLOCK RNA 紡織品冷凍干燥樣本：反應體系包含可以被 Cas13a 切割的熒光探針底物 RNaseAlert，按前述操作轉入微孔板中并進行冷凍干燥。

2、使用含有 20nM mecA RNA transcript trigger 的 ddH2O 水化處理微孔板中的冷凍干燥的紡織品生物傳感器。

3、將微孔板置入 SynergyNEO 中，在 30℃ 條件檢測熒光信號的動力學變化 (Ex. 470?nm/Em. 528nm, 30mins)。

4、微孔板檢測結果和可穿戴設備的熒光顯色反應進行平行對比。

檢測結果分析

對可穿戴設備的熒光顯色成像結果的信號強度做均一化處理后，其動力學曲線（圖 5 綠色曲線）和微孔板熒光強度曲線（圖 5 紅色曲線）一致，此結果提示基于此 Cas13a 酶體系的 wFCDF 傳感器的可穿戴設備平臺具有良好的病毒 RNA 檢測效果，除此。

圖 5：wFDCF CRISPR-Cas13a 生物傳感器直接檢測 RNA 的效果驗證

SynergyNeo2 多功能微孔板檢測儀推薦

SynergyNeo2 是安捷倫微孔板檢測家族中的頂 級旗艦款，不僅融合了 Synergy 家族獨特的 Hybrid 技術，具有獨立的光路，確保在所有檢測模式下均能獲得出色的性能。此外其配備帶寬連續可調的第四代四光柵系統，并搭載基于雙平行 PMT 檢測的超快速高靈敏濾光片光學模塊，并且支持 TRF 激光器檢測和 Alpha 激光器檢測。

SynergyNeo2 主要優勢

檢測模式全面，包含連續波長吸收光、熒光強度檢測、化學發光檢測、FP、TRF、HTRF、TR-FRET、FRET、BRET、AlphaLISA 和 alphasgreen 檢測模式。

獨特Hybrid 光路：卓 越的檢測性能保證

超快速：Z高可配置 4 個 PMT 用于超快測量

輔助檢測功能豐富：包含先進的環境控制技術，溫控至 70°C（這項功能在包括本文提到的 SHERLOCK 在內的恒溫 PCR 技術中非常重要）和變速振蕩，以支持活細胞分析。

自動化對接友好：BioStack Neo 可提供無人值守的自動化功能、高通量和條形碼標記的濾光片模塊，可以簡化工作流程和降低出錯率。

軟件功能強大：Gen6 軟件提供了全面的微孔板檢測儀控制、強大的數據分析功能和 LIMS 集成功能。

應用范圍廣泛：涵蓋基礎研究到藥物發現的多個領域應用。

參考文獻

1. Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection. https://doi.org/10.1038/s41587-021-00950-3

2. SHERLOCK: nucleic acid detection with CRISPR nucleases. https://www.nature.com/articles/s41596-019-0210-2