酶标仪高端玩家指南：搭载合成生物学传感器的可穿戴设备研发

无细胞冷冻干燥可穿戴技术（wFDCF）

来自哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和麻省理工学院的研究人员开发了一种基于 CRISPR 技术的可穿戴的合成生物学传生物感器，在无需引入活工程细菌的情况下，只需简单的水溶液暴露，即可激活该生物传感器（wearable freeze-dried, cell-free, wFDCF），从而用以检测环境中的病原体和毒素，并发出荧光信号报告。更棒的是，研究团队还将这一技术集成到了标准口罩中，以检测患者呼吸中，以及空气中是否存在 SARS-CoV-2 病毒，该技术的检测限可以与目前的实验室方法（例如 qPCR）相媲美。

在这项研究种，Agilent BioTek 的 SynergyNEO HTS 多功能酶标仪主要用于适配 wFDCF 传感器的纺织物材料的高通量筛选，以及验证基于 CRISPR 的 wFDCF 传感器用于 RNA 直接检测的有效性这两方面。

研究团队最初设计了一种基于比色法信号输出的 wFDCF 传感器，由三层皮肤安全材料制成的有机硅弹性体逐层组装而成，FDCF 反应传感器嵌入其中，组装好的传感器具有合适的弹性和柔韧性以支持可穿戴设计。液态样本在最上层的入口进入后通过毛细管作用快速进入反应室。合成生物学的电路传感器输出采用 LacZ β-半乳糖苷酶操纵子，其能够水解氯酚红-β-d-半乳糖苷（CPRG），当暴露于靶标后会发生黄到紫色的变化。通过这样的巧妙设计，研究团队测试了不同的传感器模型，用于检测小分子或病毒 RNA（图 1）。

图 1：比色法信号输出的 wFDCF 传感器设计示意图

随后，研究团队深入继续深入该传感器的检测灵敏度和适用范围，将其应用于日常穿戴的纺织物中，并开发基于荧光检测信号输出的检测体系，此项工作的第一步，便是筛选出更加适合的 FDCF 传感器纺织品载体。

动力学显色反应结束后在微孔板中可观察到明显的显色反应变化，SynergyNEO 和 Gen5 软件能够自动生成每个样本的动力学数据结果，用户后续的参数统计和分析（图 2）。通过 OD420 峰值吸收光强度、动力学平均反应速率、到达最大信号时间、滞后时间（LagTime）等动力学参数联合纺织物密度和自发荧光等参数，设计了筛选评分，最后研究团队选择了使用 85% 的聚酯纤维和 15% 的聚酰胺纤维的织物用于后续的荧光和发光信号输出传感器的载体（图 3）。

图 2：SynergyNEO 用于筛选 FDCF 适配的纺织物结果

图 3：wFDCF 比色纺织品筛选的归一化功能评分结果

CRISPR 技术用于基因编辑领域已经是非常成熟和热门的技术，除了基因编辑，这项技术在分子检测领域也是大放异彩，早在 COVID-19 爆发不久，CRISPR 领域大神华人科学家张锋于 2020 年发表了使用 CRISPR 诊断工具检测新型冠状病毒 COVID-19 的 SHERLOCK 技术，详细介绍了标本提取和检测的方案。随后，马萨诸塞州剑桥市的夏洛克生物科学公司（Sherlock Biosciences）获得了美国食品和药物管理局 (FDA) 的紧急使用授权 (EUA)，用于检测导致 COVID-19 的病毒的 SHERLOCK CRISPR SARS-CoV-2 试剂盒，这是 FDA 首次授权使用 CRISPR 技术。安捷伦的 BioTek SynergyNeo2 是当时市场上唯一被批准用于 SHERLOCK SARS-CoV-2 诊断测试的微孔板读板机。

由于 SHERLOCK 技术具有灵敏度高，响应速度快、单碱基对分辨率、冻干兼容性和面向任意 DNA/RNA 序列的可编程性等诸多优点，该研究团队将此技术融入到 wFDCF 的设计中，研究团队开发了一种可以检测呼出气溶胶中 SARS-CoV-2 的口罩，只需按下病毒外侧的按钮，启动传感器内三种不同的生物反应，第一种反应用于破坏新冠病毒的蛋白外壳，暴露其内部的 RNA；第二个反应是一个常温 PCR 扩增步骤，特异性扩增新冠病毒的刺突蛋白 （S 蛋白） 的基因片段；最后第三个反应使用基于 CRISPR-Cas13a 的 SHERLOCK 技术来检测病毒的 S 基因，被激活的 Cas13a 将荧光-DNA 探针分子切成两个更小的片段，在口罩内部的 LAF 窗口会显示出肉眼可见的条带（图 4）。

除此之外，研究团队还继续开发了光纤网络集成的 wFCDF 传感器，能够产生更客观可靠的荧光数据信号，可以通过智能手机的 APP 实时查看该信号。

图 4：口罩式用于检测 SARS-Cov-2 的集成化可穿戴设备设计

为了验证这种融合了 SHERLOCK 技术的 wFDCF 的有效性，使用 SynergyNEO 测试了 CRISPR-Cas13a 系统直接检测病毒 RNA 的效果。

对可穿戴设备的荧光显色成像结果的信号强度做均一化处理后，其动力学曲线（图 5 绿色曲线）和微孔板荧光强度曲线（图 5 红色曲线）一致，此结果提示基于此 Cas13a 酶体系的 wFCDF 传感器的可穿戴设备平台具有良好的病毒 RNA 检测效果，除此。

图 5：wFDCF CRISPR-Cas13a 生物传感器直接检测 RNA 的效果验证

SynergyNeo2 多功能微孔板检测仪推荐

SynergyNeo2 是安捷伦微孔板检测家族中的顶级旗舰款，不仅融合了 Synergy 家族独特的 Hybrid 技术，具有独立的光路，确保在所有检测模式下均能获得出色的性能。此外其配备带宽连续可调的第四代四光栅系统，并搭载基于双平行 PMT 检测的超快速高灵敏滤光片光学模块，并且支持 TRF 激光器检测和 Alpha 激光器检测。

1. Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection. https://doi.org/10.1038/s41587-021-00950-3

2. SHERLOCK: nucleic acid detection with CRISPR nucleases. https://www.nature.com/articles/s41596-019-0210-2