从生物制造到诊断，这类检测设备突围“卡脖子”

公众号新闻

2024-07-29 03:07

随着生物反应工程被大量应用于生产工业品、药品或食品等产品，过程中的自动控制对于提高生产率和节能环保有着重要意义。虽然物理参数的检测与控制已经相对成熟，但生物参数如生物量、代谢物、底物和产物的在线监测仍是难题。

过去，多使用从生物反应器中采样分析的方式即离线分析，但随着合成生物学各类技术的进步，使用生物传感器对生物参数的在线监控，从而微调参与内源和异源途径的酶的表达，平衡它们的代谢通量，朝向靶产物的代谢通量而不干扰细胞生长。

简单来说，生物传感器是利用某些生物活性物质所具有的高度选择性，来识别待测生物化学物质，并将其浓度转化为电信号进行检测的一类传感器。它有着专一性强、分析速度快、准确度高、操作系统简单以及成本的特点。

不仅是在制造环节，生物传感器因其便携和测定快速的特点，在POCT、可穿戴、环境监测、口岸检疫及违禁化合物检测等多个场景都有广泛应用空间。

精准控制凸显应用潜力

生物传感器对于规模化生产极为重要。

以4-羟基苯乙酸（4HPAA）为例，它是合成药品的重要原料，可被用于合成高血压药（阿替洛尔）、心血管药物（美托洛尔和倍他洛尔），以及抗抑郁药、消炎镇痛药、抗生素等，具有抗炎、抗肿瘤、抗焦虑、抗血小板和护肝等活性。

过去，4HPAA可以通过不同底物的化学合成获得，如苯甲醚、p-甲酚、苯酚、苄基苯醚或羟基曼德酸，但这样的化学合成法生产污染严重。在寻找4HPAA生物合成的路径中，生物传感器扮演了重要角色。

生物传感器辅助筛选4HPAA产量较高的突变菌株，图源10.1016/j.ymben.2021.12.008

首先，生物传感器能够帮助研究人员在菌株改造过程中快速识别和筛选出具有较高4-HPAA产量和耐受性的突变菌株，对筛选出的突变株进行4HPAA的产生能力和耐4HPAA能力鉴定。然后，基因组改组被应用于这些菌株，通过将优选的特性结合在一起，进一步对菌株进行改良。最终的结果是4HPAA的效价提高了约120%。

基于生物传感器的生物策略在合成生物学和代谢工程中起着革命性的作用。

如今，生物传感器被设计用于监测细胞代谢，并与高通量筛选策略整合，以通过与报告基因偶联来提高从多样化文库中选择靶菌株的效率。因此，生物传感器被视为解决工程化微生物细胞工厂用于高效生物合成瓶颈的关键方法。

生物传感器通常由两部分组成，检测分析物的生物分子或细胞和将检测分析转化为电信号输出。因此，根据传感器输出信号的产生方式，可分为亲和型生物传感器、代谢型生物传感器、催化型生物传感器。根据生物传感器中分子识别元件的不同又可分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞及细胞器传感器、基因传感器、免疫传感器等。

此外，根据信号转换方式的不同，又可分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、热学型生物传感器、光学型生物传感器、声学型生物传感器等。根据检测对象的多寡又可分为单功能型生物传感器和多功能型生物传感器。

如今，生物产品的规模化生产在药品、营养保健品、食品等领域占比越来越大。随着生产规模的扩大，生物反应过程的监测和控制变得越来越重要，迫切需要更加高效的生物传感器。

生物传感器的持续进化

随着生物制药的工艺越来越复杂化，迫切需要更有效的过程控制方法，生物传感器的快速发展也被认为是突围高效生物合成的优质工具。

以基因编码型生物传感器为例，它能够感知细胞内外代谢物浓度变化及外界环境波动，产生可测量的信号输出或调控通路中的基因表达水平，被广泛应用于环境监测、医疗诊断以及细胞工厂的监测与调控。

一般来说，基因编码型生物传感器主要包含信号识别与转换模块和信号输出模块。

前者需要传感元件具有高度特异性，防止其他输入信号带来干扰。基于转录因子的生物传感是最常见的，包括响应氨基酸、有机酸、丙二酰辅酶Ａ、大环内酯类抗生素、维生素等物质的转录因子已被成功用于基因编码型生物传感器的构建中。

基于核酸的生物传感器一般由适配体和表达平台组成，适配体会随着对特定配体的响应而改变其结构，进而在转录或翻译水平上调节与其相互作用的mRNA或下游基因。其中茶碱RNA适配体、核糖体开关已成为合成生物学中广泛使用的调控元件。

双组分系统（TCS)是一类典型的多步信号转导系统，也是合成生物学中一类重要的传感器。典型的TCS生物传感器由膜上的传感器组氨酸激酶（SHK）、细胞质中的反应调节因子（RR）和输出启动子组成.

基因编码型生物传感器在一些微生物代谢动态调控中的应用，图源10.13523/j.cb.2303019

对于信号输出模块，它需要可测量的报告基因、细胞存活及特定代谢通路开闭等。荧光蛋白是目前最常用的一类报告元件，包括GFP、eGFP、mCherry以及改进后的荧光蛋白如staygold、mRFP、YTP等被用于构建生物传感器。

随着理论和分子生物学的发展，基因编码型生物传感器已被应用于各种代谢通路和代谢节点，特别是将多个生物传感器联用进行多功能动态控制。

例如联用基于转录因子和核糖体开关的生物传感器，在谷氨酸棒杆菌中实现了对 4-羟基异亮氨酸（4-HIL）的三功能动态控制。4-HIL由α-酮戊二酸（α-KG）、O₂和Ile在异亮氨酸羟化酶（由ido编码）的催化下合成。通过Ile响应的TF生物传感器调控ido、odhI和vgb表达，达到协同控制α-KG和O₂供应的目的。最终获得了高产4-HIL且副产物含量极低的优良菌株。

基因组测序和合成生物学的进步促进了生物传感器的设计、构建和应用。在过去一段时间里，基因编码型生物传感器的应用已经从简单的代谢物传感和报告转移到了更复杂的遗传系统，如动态和多层的遗传线路，成为精细控制的先进工具。

目前应用较为广泛的是基于转录因子的生物传感器，相对于自然界中数量庞大的小分子，已发现的转录因子数量有限，虽然已有一些预测转录因子的方法和数据库，但在设计和构建基因编码型生物传感器时，往往需要根据实际需求来优化传感器性能，包括特异性、灵敏度、工作范围和动态范围等。

尽管启动子工程、蛋白质工程等调节机制较为明确，但往往需要不断试错循环才能得到理想的性能参数。此外，生物传感器在不同宿主之间的普适性问题也是一大挑战，尤其是将原核生物传感器引入真核生物时存在很大困难。因此开发在不同宿主中稳定且适用的通用传感元件至关重要，随着深度学习和人工智能的参与有望进一步优化生物传感器的设计。

从商业化的角度，目前发展得较好的生物传感器产品有血糖仪、固定化酶系列生物传感分析仪、BOD微生物分析仪、SPR表面等离子体共振分析系统以及智能胰岛素泵等。以近几年发展得如火如荼的CGM为例，这些年国内市场从雅培的一家独大，到包括微泰医疗、硅基仿生以及三诺生物等为代表的国产CGM陆续获批上市参与竞争，背后都离不开酶传感和葡萄糖传感技术的进步。未来随着传感器技术的进一步发展，无创血糖检测将是下一阶段冲刺的目标。

生物传感器仍然还在不断进化，包括对代谢物（包括氨基酸、天然产物、有机酸等）和环境变化（包括温度、pH、光等）响应特异性强、灵敏度高的基因编码型生物传感器，不同的细胞类型如细菌、真菌、藻类、病毒和其他高等真核生物也被用于生物传感器制造。

经过50余年的发展，得益于生命科学、物理学、化学、材料科学和信息技术等多个学科交叉融合，生物传感器迎来百花齐放的景象。如今，以合成生物学为代表的生物制造被树立为今后的发展方向，生物传感研究在人工智能、新材料及大数据等新兴学科的加持下，未来还将在更多领域发挥其价值。

应用场景广阔，

辐射更多下游应用

生物传感器不仅在生物合成环节能发挥作用，它利用生物分子识别和检测特定化合物的特性使得其在医疗健康监测、疾病诊断甚至环境监测等多个领域都有极佳的应用场景。

在疾病检测方面，生物传感器已成功应用于诸如癌症、心血管疾病和糖尿病等多种疾病的早期诊断。例如，在癌症早期诊断中，通过识别并响应血液中极低浓度的癌症标志物如相关的核酸、受体或分泌蛋白等，检测出发光或颜色变化的信号，有助于实现在无症状早期阶段识别疾病，从而提供及时的治疗介入。

这一切得益于通过如启动子工程、核糖体结合位点修改等方法实现细胞DNA的重新编程，从而构建复杂的人工基因网络，定制微生物或细胞来产生响应特定化学或生物信号并转化为可检测的信号，使得传感器能够敏感地反映出病理状态。

此外，针对心血管疾病，生物传感器还可以检测血液中的心肌损伤标志物，如心脏肌钙蛋白，实现疾病早期预警。同时，这些传感器还能集成到便携式设备中，如穿戴式设备和IVD，使其可以在医疗机构外进行快速检测，从而提高常规健康监测水平，为及时医疗干预提供了支撑。

加州理工大学曾研发了一种基于靶点诱导链位移的皮肤界面可穿戴适配体纳米生物传感器，用于通过原位汗液分析自动和非侵入性监测雌二醇。雌二醇指标异常在病理情况下多见于女性性早熟、卵巢肿瘤、垂体瘤、肝硬化等疾病。

可穿戴生物传感器通过汗液分析实现雌二醇的无创监测系统，图源10.1038/s41565-023-01513-0

为了实现自动监测，研究人员设计了一个完全集成的无线可穿戴系统，该系统结合了用于局部汗液刺激的离子电泳水凝胶、用于汗液收集的微流体和用于雌二醇传感和校准的功能化传感器，并确定了汗液和血清雌二醇水平之间的相关性，可实现方便的家庭生殖激素监测。同时还能配合其他监测装置实现各种个性化医疗应用。

在治疗监控方面，生物传感器也能发挥巨大作用。如化疗过程中，通过生物传感器可以实时追踪药物在体内的浓度及其代谢产物，从而使医生能够精准调整药物剂量，实现个性化治疗。

总体而言，生物传感器下游应用场景极为广阔，从生物制品生产过程的监督质控，到院内POCT、居家检测、24小时监护等医疗场景，甚至边防、海关、公安、卫生等机构部门的检疫检验，都能发挥作用。

据Grand View Research和QYResearch的数据，全球仅POCT和医疗可穿戴设备的市场规模在2030年分别能达到686亿美元和614亿美元。据智研瞻的数据，我国生物传感器市场规模从2015年的49.5亿元增长至2023年的137.28亿元。随着下游应用场景的不断拓展，中国的生物传感器市场规模还将持续扩张。

国内虽有不少传感器供应商，但大多以工业使用为主，不太符合医疗领域的需求。因此，有不少医疗企业选择了自主研发这条路。随着生物制造产业的发展，除了企业外，高校也开始行动起来。今年就有6所高校新增了智能传感器特设专业，全国目前共有38所院校设置了该专业。