早稻田大学三宅丈雄教授团队《Adv. Mater. Technol.》： ATP 合酶集成的生物传感器调控酶促生物发光反应

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离子和其他生物载体在生物学中在控制生物系统方面发挥着重要作用。为了将生物学与电子学联系起来，生物电子学已被确立为一门研究学科，主要关注将生物信号转换为电子设备，例如测量血糖以进行健康监测的传感器。大多数生物电子设备是接收生物信号的优秀探测器，但不足以将这些信号传输到生物系统。为了克服这个问题，生物电子设备需要离子控制机制。研究人员将其称为生物离子电子学，它是生物电子学和离子学的综合体。为此，离子控制系统与生物设备集成以提供小分子，其中质子是化学和生物学等一系列领域的重要研究目标。在这个研究中，制作了一种质子生物传感器，它通过 ATP 合酶和生物发光荧光素酶将来自装置的质子信号转化为酶级联反应。通过施加到磺化聚苯胺生物传感器上的电位对质子信号进行调节，这种质子调节控制 ATP 合成酶膜上的 ATP 合成，然后在荧光素-荧光素酶作用下进行生物发光反应。在未来的应用中，这个平台将能够集成更复杂的生物膜和材料，并允许进一步控制它们的复杂功能。

图 1. 质子生物装置与酶级联接口 分别给电极施加负向电压和正向电压，SPA电极分别从 ATP 合酶膜下方的溶液中吸附/释放H⁺离子。这种跨膜的质子梯度(ΔpH)驱动ATP分子的水解/合成，这会影响膜外溶液中 ATP (ΔC) 的量。当ATP与膜上的ATP合酶合成时，荧光素酶发出生物发光作为输出信号。

图 2. 质子耦合 SPA 生物传感器 (a) 在 pH = 7.0 的K-PBS缓冲液下，SPA 聚合物H⁺ 在施加V_r电压下质子掺杂以及在V_o电压下的质子去掺杂的示意图。 (b)  ± 50 mV和 ± 200 mV 电压下SPA电极的氢离子电流密度。 (c) ∆E_(ion)= |E_ion-E_s |在不同的溶液中，其中 E_ion是不同离子溶液中的 OCV，E_s 是 在pH = 4下 K-PBS缓冲溶液中SPA工作电极和 Ag/AgCl 参比电极之间的 OCV。(d) 在pH= 3-9不同pH K-PBS缓冲溶液下的OCV。

图 3. 使用 SPA 生物传感器控制 ATP 水解  (a)将Vr的还原电压施加到 SPA 时，在SPA生物传感器中ATP合酶在磷脂双分子层处的ATP水解示意图。测量SPA电极和Ag/AgCl电极之间的电流。(b) 在存在和不存在 1 mM ATP 分子的情况下分别测量 ±200 mV 的电流密度。(c) 测量含和不含 NaN₃抑制剂的ATP溶液中-200 mV的电流密度。作为对照实验，添加了不含ATP的数据。

图 4. 使用 SPA 生物传感器控制 ATP 合成 (a) 将Vo的氧化电压施加到 SPA 时，在 SPA 生物传感器中ATP合酶在磷脂双分子层处的ATP合成示意图。测量SPA电极和Ag/AgCl电极之间的电流。(b) 在存在和不存在 2 mM ADP 分子的情况下测量 ±200 mV 的电流密度。 (c) 在有和没有DCCD抑制剂的 ADP 溶液中测量 200 mV 的电流密度。作为对照实验，还添加了没有ADP的数据。

图 5. 使用集成了 ATP 合酶的生物传感器控制酶促生物发光 (a) 当在 ATP 合酶整合的生物转导器上合成 ATP 分子时，生物发光的示意图。(b) 在 ADP 和/或 FoF1 ATP 合酶的不同条件下，在 200 mV下测量ATP浓度和生物发光强度。还添加了存在ADP和 FoF1 ATP合酶时 0 mV的数据。

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https://doi.org/10.1002/admt.202100729

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