组成图示
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传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
DNA 修饰酶/分子马达（DNA modifying enzymes/motors，如 EcoR124I、FtsK、疟原虫解旋酶 Plasmodium helicases/PfeIF4A）、候选药物（drug candidates）；样品基质：缓冲液/微流控样品池。
检测原理
该装置将 DNA 底物一端通过地高辛（DIG）-抗 DIG 抗体固定于传感器上方金斑，另一端经生物素-链霉亲和素连接顺磁性微珠。外部直流线圈产生磁场，将微珠抬起并拉伸 DNA，使体系处于可控张力状态。当 DNA 修饰酶或解旋酶结合底物后，其 ATP 驱动的转位/解旋活动改变 DNA 拓扑、长度或张力，进而引起顺磁珠垂直位移。微珠位置变化调制磁阻传感器上方的局部磁场，使磁阻传感器电阻改变；在霍尔效应版本中则产生霍尔电压。药物与靶标结合或抑制酶活性时，马达的转位速率、力或运动模式改变，导致信号幅值、频率或位移轨迹变化，从而实现单分子水平的药物-靶标相互作用检测。
检测灵敏度
—
效应效果
作者报道了 MRMT 原型在 20 μl 悬滴体系中可检测顺磁珠运动并完成 DNA 底物固定，随后构建了带 100 μl 进样口的微流控流池，实现酶和药物的输送。早期硫醇-金表面固定效率低且非特异，改用 DSP 偶联抗 DIG 抗体到 100 nm² 金斑后改善固定，SEM 显示多修饰核苷酸有助于将表面结合比例推向 1:1。PfeIF4A 经 Ni-NTA、肝素亲和和凝胶过滤纯化至 50 μM，被鉴定为慢速、双极、需单链区的解旋酶，叉状底物最适；但其解旋/转位速率较慢，限制了当时磁镊单分子检测的可靠性。作者主张该设备可用于低浓度药物筛选、并行通道比较、适配体/四链体 DNA 和蛋白-蛋白相互作用研究。
传感器的构成
- 换能器基底：磁阻传感器（magnetoresistive sensor, MR）或霍尔效应传感器（Hall Effect sensor）置于微流控通道内，检测磁珠运动引起的磁场/电阻变化
- 表面功能化金区：传感器上方 100 nm² 金斑（gold patch），提供抗体固定界面
- 识别元件：抗地高辛抗体（anti-digoxigenin antibody, anti-DIG）经双硫代双(琥珀酰亚胺基丙酸酯)（DSP）偶联到金斑，特异性结合 DNA 上的地高辛
- DNA 底物：含 digoxigenin-11-UTP 的 PCR 片段、中央马达结合区、含 biotin-16-dUTP 的 PCR 片段，经限制性位点定向连接形成叉状/分支底物
- 信号标记：链霉亲和素功能化顺磁性微珠（streptavidin-functionalized paramagnetic bead），通过生物素-亲和素结合 DNA 末端，作为力学/磁学信号载体
- 驱动/操控元件：直流线圈（DC coil）产生外部磁场，抬起并垂直操控顺磁珠，拉伸 DNA 并检测位移
- 样品供给：微流控流池（microfluidic flowcell）及 100 μl 进样口，输送酶、药物和缓冲液
- 光学辅助读出：玻璃基底（glass base）允许常规光学磁镊观察磁珠，实现光学与电子双读出
中文摘要
本文综述了一个欧洲资助的合成生物学项目，旨在将工程化设计方法应用于单分子生物传感器的构建，以检测药物与靶标之间的相互作用。项目首先采用“生物零件”和盒式基因组装策略表达所需蛋白，但发现该策略存在蛋白溶解性不可预测等问题；同时利用盒式系统构建 DNA 底物。在器件方面，作者通过微加工制备了磁阻磁镊（magnetoresistive Magnetic Tweezer, MRMT）装置，用于检测单分子 DNA 修饰酶（分子马达）的活性，并探索了霍尔效应版本。该装置以顺磁性微珠连接 DNA 末端，通过外部磁场操控珠体，利用磁阻或霍尔传感器读取酶驱动 DNA 转位引起的位移。目前该设备正用于研究疟原虫解旋酶作为抗疟药物靶标，作者还提出其可用于适配体、四链体 DNA 和蛋白-蛋白相互作用等检测。
英文摘要
This review describes a European-funded project in the area of Synthetic Biology. The project seeks to demonstrate the application of engineering techniques and methodologies to the design and construction of a biosensor for detecting drug-target interactions at the single-molecule level. Production of the proteins required for the system followed the principle of previously described "bioparts" concepts (a system where a database of biological parts - promoters, genes, terminators, linking tags and cleavage sequences - is used to construct novel gene assemblies) and cassette-type assembly of gene expression systems (the concept of linking different "bioparts" to produce functional "cassettes"), but problems were quickly identified with these approaches. DNA substrates for the device were also constructed using a cassette-system. Finally, micro-engineering was used to build a magnetoresistive Magnetic Tweezer device for detection of single molecule DNA modifying enzymes (motors), while the possibility of constructing a Hall Effect version of this device was explored. The device is currently being used to study helicases from Plasmodium as potential targets for anti-malarial drugs, but we also suggest other potential uses for the device.