SPR技術在合成生物學研究中的應用及P4SPR的優勢介紹
合成生物學是一個多學科領域，涉及分子生物學和工程學等一系列學科，目的是創造能夠解決許多健康、農業和環境挑戰的產品。例如，在農業部門，越來越需要解決糧食安全、營養和作物產量等問題。解決方案可能在于設計合成代謝途徑，以生產出對氣候變化更耐受、更有營養、更少依賴肥料的作物[1]。
表面等離子體共振(SPR)是一種實時、無標記的方法，可獲得核酸-蛋白質、蛋白質-蛋白質、蛋白質-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(KD)、結合速率(Kon)和解離速率(Koff)值。這些參數的確定和調整可以指導合成生物學途徑的優化，使工程產品具有所需的特性，包括研究轉錄調控，篩選合成拉鏈，以及為不同的應用設計生物傳感器等。本文將重點介紹這些例子，以展示SPR對這些相互作用進行快速、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合動力學和親和力。然后，還將展示Affinite的P4SPR™所演示的研究實例。
SPR技術在合成生物學研究中的應用
圖1，SPR實驗示意圖，研究不同的AG內含子突變體與LFY的結合親和力和動力學。雙鏈DNA通過鏈親和素-生物素標簽固定在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品產量。當SPR用于研究它們的結合相互作用時，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值的合成拉鏈對創造了極具參考意義的數據，對腳手架蛋白質的應用非常有價值[3]。
圖2，SPR實驗示意圖，研究不同合成拉鏈組合之間的結合相互作用。將合成拉鏈B偶聯的單域抗體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作為評估蛋白質與葡萄糖結合親和力的工具，設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測(圖3)。當葡萄糖/半乳糖結合蛋白(GGBP)發生突變時，其與葡萄糖的親和力因突變而發生改變。SPR能夠評估葡萄糖與GGBP的結合親和力。通過SPR檢測，發現GGBP三突變（E149C, A213S, L238S）體與葡萄糖的平衡解離常數為0.5mM，可應用于生理范圍內血糖的監測。
圖3，SPR實驗示意圖，用于測試各種GGBP突變體與葡萄糖的結合相互作用。通過EDC/NHS活化固定GGBP。
Affinité的P4SPR™在合成生物學中的應用
Affinité的P4SPR™是一款革命性的SPR儀器，可在緊湊實用的設計中提供實時動力學和親和測量。儀器用戶友好型的設計，即使個人沒有廣泛的實驗室技能也可以在短時間內學習如何使用它。SPR儀支持手動注射，也可以搭配泵模塊作動力學測定。更重要的是，即使復雜的生物樣品，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，與文獻報道相符合。此外，單個樣本的傳感器圖可以在10分鐘內實時收集。
圖4，a) SPR實驗示意圖，lacO和lacI結合互作實驗。lacO通過鏈霉親和素-生物素標簽固定;b) 從不同濃度的lacI樣品中獲得的傳感器圖
設計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實時收集數據。SPR信號變化與抗體濃度正相關。在表面固定后，每個傳感圖在15分鐘內收集。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化學固定核衣殼蛋白。
結論
SPR是一種快速、實時、無標記的方法，用于獲取蛋白質-核酸、蛋白質-蛋白質和蛋白質-小分子相互作用的親和力和動力學數據，適用于合成生物學領域。此外，Affinité的P4SPR™是一款實用、緊湊、用戶友好的設備。金膜傳感器芯片可定制不同類型的化學修飾表面，也可用于復雜生物樣品的檢測。與ELISA等傳統免疫分析法相比，P4SPR™可提供快速、實時的親和力和/或動力學數據。
P4SPR™優勢
簡單----快速培訓，即刻使用
多功能----制藥領域，生物傳感，分析方法開發
經濟----負擔得起，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
