纳曲酮是一种阿片类药物的模拟物，它的一个小分子整齐地嵌在一个叫做结合位点的空腔中，这是威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员为了达到这个目的而选择的一种蛋白质，他们使用一种新的快速而廉价的方法来制造药物、环境毒素和其他物质的检测试剂盒。图片由拉曼实验室/威斯康星大学麦迪逊分校提供

　　威斯康辛大学麦迪逊分校的生物化学家已经开发出一种新的、有效的方法，可以让急救人员、环境监测小组，甚至是你，快速检测出我们身体和环境中有害和与健康相关的物质。

　　与蛋白质相互作用的小分子可以启动、增强和抑制重要的生物过程。一些小分子，如维生素或激素，与我们的健康有关。其他的，如阿片类药物，是有毒的，知道它们是否在病人的系统中对于紧急医疗是至关重要的。某些小分子的存在甚至可以表明污染物和环境毒素的存在，比如我们饮用水中的金属。

　　检测样品中的小分子通常需要进行昂贵且耗时的实验室测试。在药物过量等紧急情况下，任何延误都可能推迟挽救生命的治疗。一种现场检测试剂盒可以快速廉价地识别特定小分子的存在，可以改善第一反应和紧急医疗、家庭健康监测以及环境毒素的检测。

　　威斯康星大学麦迪逊分校的生物化学教授Vatsan Raman说：“小分子在所有生物学中都很普遍。”“大自然真的很擅长创造与小分子结合的蛋白质，这些蛋白质具有精致的特异性。我们的问题是，我们能否重新设计自然界的蛋白质，使其与我们感兴趣的任何小分子结合。”

　　由于小分子可以与某些蛋白质相互作用，设计良好的蛋白质可以在特定分子存在时启动生化警报系统，例如麻醉剂或代谢物（当我们的身体分解食物等较大物质时产生的小分子）。

　　拉曼对设计这样一个系统很感兴趣。但是，虽然一些蛋白质自然进化为与一个或多个小分子相互作用，但设计一种蛋白质与特定小分子相互作用需要测试成千上万种可能性，以找到最合适的。这个过程在成本和时间上都令人望而却步。

　　为了加快这一过程，Raman实验室的研究人员开发了Sensor-seq，这是一种同时筛选成千上万个蛋白质突变的方法（称为测定法），以确定哪些蛋白质突变与感兴趣的分子结合。这些蛋白质可以被进一步修饰成一个开关，打开一个小分子存在于样本中的视觉信号（例如，绿色的光），并激活一种生化警报系统。

　　研究人员用几种感兴趣的小分子测试了Sensor-seq，包括纳曲酮，一种模仿阿片类药物的药物。在他们设计的成千上万个可能的蛋白质突变中，他们确定了哪些能感知纳曲酮。然后，他们创造了一种生物传感器，当蛋白质与纳曲酮相互作用时，它会发出绿光。

　　他们的方法奏效了：纳曲酮诱导了一种肉眼可见的绿光。研究人员的研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

　　现在，研究人员正在建立计算机模型，以缩小与人类和环境健康相关的其他小分子可能的蛋白质匹配范围。

　　“我们从这些大型数据集中学到的东西将使我们的流程更加有效和高效。随着我们收集更多的数据，并完善模型，我们将在制造生物传感器方面做得越来越好。”拉曼说。“我的目标是，如果你告诉我你想要感知什么分子，我们应该能够在几周内为你提供一个蛋白质生物传感器。”

　　这项研究的潜力包括军事应用。拉曼实验室的工作是在美国陆军的支持下与空军研究实验室合作完成的。

　　DEVCOM ARL陆军研究办公室项目经理Stephanie McElhinny说：“我们对Raman教授和他的研究团队的这些结果感到兴奋，这些结果得到了美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的初步基础研究资助和随后的陆军小企业技术转让计划合同的支持，该合同的重点是开发用于快速生物传感器发现的商业平台。”“DEVCOM化学生物中心正在探索Sensor-seq生物传感器发现方法的潜力，以快速开发生物传感器，以保护作战人员免受化学和生物威胁、饮用水污染物和新出现的毒素。”

　　拉曼已经获得了这项工作的临时专利，他看到了他的实验室开发的技术的广泛应用，包括在几分钟内识别当地水源中的污染物的现场测试和跟踪健康指标的家庭测试。

　　拉曼解释说：“我们从纳曲酮开始，因为迫切需要低成本的方法来检测农村社区获得医疗保健的阿片类药物使用情况。”“但是，原则上，我们可以为任何小分子制造生物传感器。这是令人兴奋的，因为它有很多商业应用，有可能改变家庭和野外医疗保健和环境健康。”

　　本研究得到了美国陆军研究办公室拨款W911NF20C0005和W911NF1710043的支持。

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