仿生生物嗅覺傳感器研究進展

作為自然界中最靈敏的化學感知能力之一，生物嗅覺可以實現(xiàn)痕量氣味分子的檢測和識別，并在不同生物體的生命周期中發(fā)揮舉足輕重的作用。目前，通過訓練狗、鼠及蜜蜂等動物，已經(jīng)實現(xiàn)了對爆炸物、毒品及疾病標志物的檢測。受此卓越嗅覺感知能力的啟發(fā)，人們研究并開發(fā)了與不同嗅覺生物材料或仿生元件集成的物理化學傳感器，這些傳感器統(tǒng)稱為嗅覺生物傳感器。

昆蟲的嗅覺器官主要包括有觸角、下顎須和下唇須等，其具有極為敏感的嗅覺感知能力，可以在復(fù)雜的化學環(huán)境中以極低的濃度檢測和區(qū)分不同來源的大量氣味分子。這些化學氣味分子所代表的信息可以幫助其定位食物、尋找配偶、選擇產(chǎn)卵地點和躲避捕食者等。因此，利用昆蟲高靈敏的嗅覺系統(tǒng)來構(gòu)建傳感器是解決氣味分子檢測重要手段之一。

近日，浙江大學劉清君教授團隊詳細綜述了昆蟲嗅覺系統(tǒng)對氣味分子的感知過程及能力，對嗅覺器官、嗅覺細胞、氣味結(jié)合蛋白、嗅覺受體、特異性多肽分子等嗅覺生物敏感元件特征及傳感器構(gòu)建方法進行了系統(tǒng)的回顧，介紹了不同類型嗅覺生物傳感器在疾病診斷、環(huán)境監(jiān)測，及食品分析等領(lǐng)域中的氣味檢測應(yīng)用實例，全面總結(jié)了不同嗅覺生物敏感元件的發(fā)展現(xiàn)狀和氣味檢測優(yōu)勢，最后從靈敏度、特異性及實用性等角度討論了嗅覺生物傳感的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景。

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基于天然嗅覺敏感材料的生物傳感器

一般而言，氣味分子在進入嗅覺器官后會與淋巴液中的氣味結(jié)合蛋白（OBPs）相結(jié)合，然后氣味結(jié)合蛋白將其運輸至嗅覺神經(jīng)元細胞表面的嗅覺受體（ORs），氣味分子與嗅覺受體結(jié)合之后引發(fā)嗅覺感知。因此，可以結(jié)合氣味分子的天然嗅覺敏感元件有氣味結(jié)合蛋白、嗅覺受體以及嗅覺神經(jīng)元等。

作為一種細胞外蛋白，氣味結(jié)合蛋白憑借其易于合成、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢而廣泛用于嗅覺生物傳感器的研究。昆蟲氣味結(jié)合蛋白的結(jié)構(gòu)一般呈現(xiàn)6個α螺旋，其與氣味分子的結(jié)合位點位于結(jié)構(gòu)中心的輸水腔（圖1a）。當目標分子與氣味結(jié)合蛋白相結(jié)合時，蛋白構(gòu)象會發(fā)生改變。研究者利用中華蜜蜂氣味結(jié)合蛋白、桔小實蠅氣味結(jié)合蛋白，以及人氣味結(jié)合蛋白的特性，結(jié)合電化學阻抗傳感器，實現(xiàn)了花香氣味及食源性氣味等分子的傳感檢測（圖1b）。



圖 1 昆蟲氣味結(jié)合蛋白

非天然嗅覺敏感材料的篩選與應(yīng)用

在天然嗅覺蛋白的研究基礎(chǔ)上，研究學者根據(jù)氣味分子與嗅覺蛋白的結(jié)合特性，通過對天然蛋白進行突變設(shè)計和表達，構(gòu)建了改性的嗅覺蛋白，以此進一步提高其對目標分子的傳感特性。此外，為了快速獲取嗅覺生物材料，也有研究學者針對目標檢測物質(zhì)的特性，通過噬菌體展示技術(shù)篩選和制備高特異性的多肽鏈，以期解決嗅覺蛋白表達過程繁瑣，穩(wěn)定性不強等問題。目前，已有不同的多肽序列被成功合成并用于氣味分子的傳感檢測。圖2展示了一種多肽鏈耦合二維納米材料對三硝基甲苯（TNT）的傳感檢測。

圖 2 多肽傳感器用于三硝基甲苯的檢測

利用天然嗅覺細胞及蛋白等敏感元件，結(jié)合二級換能器來構(gòu)建生物傳感器是人類向自然生物體學習的一種可行技術(shù)，是實現(xiàn)氣味檢測的一種有效手段。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合蛋白表達與純化，計算機輔助的設(shè)計和篩選等技術(shù)，可以針對性合成突變蛋白及非天然多肽鏈，以此構(gòu)建新型嗅覺生物傳感器及檢測技術(shù)。

可以預(yù)見，隨著生物合成技術(shù)、檢測技術(shù)、數(shù)據(jù)分析和人工智能的不斷發(fā)展，嗅覺生物敏感材料的穩(wěn)定性、特異性及靈敏性將進一步提升，仿生嗅覺傳感器可能會顯示出超出自然感知能力的氣味分子檢測潛力，并在疾病診斷、環(huán)境監(jiān)測、食品分析等領(lǐng)域獲得前所未有的應(yīng)用。

審核編輯：劉清