合成生物学是一个多学科领域，涉及分子生物学和工程学等一系列学科，目的是创造能够解决许多健康、农业和环境挑战的产品。例如，在农业部门，越来越需要解决粮食安全、营养和作物产量等问题。解决方案可能在于设计合成代谢途径，以生产出对气候变化更耐受、更有营养、更少依赖肥料的作物[1]。
表面等离子体共振(SPR)是一种实时、无标记的方法，可获得核酸-蛋白质、蛋白质-蛋白质、蛋白质-小分子相互作用的定量信息。这些定量信息包括解离平衡常数(KD)、结合速率(Kon)和解离速率(Koff)值。这些参数的确定和调整可以指导合成生物学途径的优化，使工程产品具有所需的特性，包括研究转录调控，筛选合成拉链，以及为不同的应用设计生物传感器等。本文将重点介绍这些例子，以展示SPR对这些相互作用进行快速、定量验证的能力，从而更清楚地了解所涉及的生物分子的结合动力学和亲和力。然后，还将展示Affinite的P4SPR™所演示的研究实例。
SPR技术在合成生物学研究中的应用
SPR用于收集KD、Kon和Koff，以阐明一种名为LEAFY (LFY)的转录因子如何通过AGAMOUS (AG)的第二内含子(图1)影响AGAMOUS (AG)基因表达。与野生型内含子相比，双位点突变与四位点突变导致两种内含子变体与转录因子的KD值增加。利用SPR分析的数据，研究人员能够验证LFY与AG的结合位点，并比较转录因子与长DNA分子多个位点的结合亲和力[2]
图1，SPR实验示意图，研究不同的AG内含子突变体与LFY的结合亲和力和动力学。双链DNA通过链亲和素-生物素标签固定在SPR芯片上。
合成拉链用于脚手架蛋白，通过浓缩酶和底物来增加产品产量。当SPR用于研究它们的结合相互作用时，不同合成拉链组合之间的KD、Kon和Koff值的可以被定量收集，并作相互比较(图2)。这为寻找具有所需KD、Kon和Koff值的合成拉链对创造了极具参考意义的数据，对脚手架蛋白质的应用非常有价值[3]。
图2，SPR实验示意图，研究不同合成拉链组合之间的结合相互作用。将合成拉链B偶联的单域抗体D固定在蓖麻毒素覆盖的表面。合成拉链A和B代表不同氨基酸序列的拉链。
利用SPR作为评估蛋白质与葡萄糖结合亲和力的工具，设计了一种葡萄糖生物传感器，用于人类血液样本中潜在的葡萄糖监测(图3)。当葡萄糖/半乳糖结合蛋白(GGBP)发生突变时，其与葡萄糖的亲和力因突变而发生改变。SPR能够评估葡萄糖与GGBP的结合亲和力。通过SPR检测，发现GGBP三突变（E149C, A213S, L238S）体与葡萄糖的平衡解离常数为0.5mM，可应用于生理范围内血糖的监测。
图3，SPR实验示意图，用于测试各种GGBP突变体与葡萄糖的结合相互作用。通过EDC/NHS活化固定GGBP。
Affinité的P4SPR™在合成生物学中的应用
Affinité的P4SPR™是一款革命性的SPR仪器，可在紧凑实用的设计中提供实时动力学和亲和测量。仪器用户友好型的设计，即使个人没有广泛的实验室技能也可以在短时间内学习如何使用它。SPR仪支持手动注射，也可以搭配泵模块作动力学测定。更重要的是，即使复杂的生物样品，如人血清，也可以胜任分析检测工作(见下面第二个例子)。
P4SPR用于研究lacI抑制因子与lacO操纵子的相互作用(图4)。lacO操纵子的双链DNA通过链霉亲和素-生物素连锁固定在SPR芯片上；不同浓度梯度的lacI抑制物蛋白流过芯片表面来测定KD值。检测KD值为6.4±1.2 nM，与文献报道相符合。此外，单个样本的传感器图可以在10分钟内实时收集。
图4，a) SPR实验示意图，lacO和lacI结合互作实验。lacO通过链霉亲和素-生物素标签固定;b) 从不同浓度的lacI样品中获得的传感器图
设计SPR平台检测SARS-CoV-2核衣壳蛋白特异性抗体[5]。首先通过EDC-NHS活化处理将核衣壳蛋白固定在SPR芯片上。然后注入人血清样本（不同抗体浓度），P4SPR实时收集数据。SPR信号变化与抗体浓度正相关。在表面固定后，每个传感图在15分钟内收集。该方法可用于自然感染SARS-CoV-2或接种甲型H1N1流感疫苗的个体的免疫检测。
图5，SPR生物传感器用于检测SARS-CoV-2核衣壳蛋白特异性抗体。采用EDC/NHS化学固定核衣壳蛋白。
结论
SPR是一种快速、实时、无标记的方法，用于获取蛋白质-核酸、蛋白质-蛋白质和蛋白质-小分子相互作用的亲和力和动力学数据，适用于合成生物学领域。此外，Affinité的P4SPR™是一款实用、紧凑、用户友好的设备。金膜传感器芯片可定制不同类型的化学修饰表面，也可用于复杂生物样品的检测。与ELISA等传统免疫分析法相比，P4SPR™可提供快速、实时的亲和力和/或动力学数据。
P4SPR™优势
简单----快速培训，即刻使用
多功能----制药领域，生物传感，分析方法开发
经济----负担得起，性价比高
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
