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可用于设计用户定义的分子生成生物传感器，为广泛的生物应用提供检测工具。此研究利用了一种名为PYR1的植物脱落酸受体，该受体具有可塑的配体结合口袋和配体诱导的异二聚化要求，从而有助于构建有意义的响应函数。

通过这种平台，我们成功开发了21种传感器，它们对一系列小分子具有纳摩尔到微摩尔的灵敏度，包括结构多样的天然和合成大麻素以及几种有机磷酸盐。通过X射线晶体学分析，我们揭示了进化的大麻素受体如何识别新配体的机制基础。

此研究发现PYR1衍生的受体可以轻松移植到各种配体反应输出中，包括酶联免疫吸附测定（ELISA）样测定、蛋白质片段互补发光和转录电路等，所有这些方法都具有皮摩尔到纳摩尔的灵敏度。PYR1为快速发展的新型生物传感器提供了一个支架，可用于各种感测-反应应用。

蛋白质支架包括细菌变构转录因子、G蛋白偶联受体以及计算重新设计的结合蛋白。这些技术已成功地为特定应用创建了生物传感器。然而，这些传感器的输出信号类型受到限制，通常依赖于有限的配体。

而化学诱导二聚化被引入作为一种吸引人的机制，用于将传感与驱动耦合起来。CID 传感器依赖于小分子的存在，只有在小分子存在时，两种蛋白质才能形成稳定的异源二聚体。

这种机制使得CID传感器在构建调节转录、控制蛋白质定位和降解以及调节细胞信号传导方面具有潜力，并且可以构建具有模块化蛋白质结构的传感器。

植物脱落酸（ABA）传感系统是一种利用CID机制的传感器。其中的一个示例是拟南芥PYR1-PP2C系统。在这个系统中，PYR1的配体识别导致PYR1-配体-蛋白磷酸酶（PP2C）复合物的形成，从而抑制磷酸酶的活性。

这个系统的独特之处在于配体识别仅发生在PYR1内部，简化了新的CID模块的工程设计。此外，磷酸酶的作用类似于辅助受体，它与PYR1的结合可以降低配体解离率并显著增强结合亲和力。

仅需微摩尔级别的PYR1结合剂就可以作为纳摩尔级别传感器与磷酸酶结合。通过高密度诱变的方法，可以快速开发出可移植到体内外控制系统的感测-响应执行器。单独的微摩尔 PYR1 结合剂可以与磷酸酶结合用作纳摩尔传感器。

在这里，我们利用这些有益的特性拟南芥PYR1-PP2C 系统 PYR1-HAB1，用于设计用于不同化学类别的传感器。我们的数据表明，这种支架的高密度诱变能够快速开发可移植到体外和体内控制系统的感觉-响应执行器。

为了实现对用户定义分子的高度灵敏和特异的传感能力，研究人员已经从自然界中选择或设计了多种蛋白质支架。这些蛋白质支架包括细菌变构转录因子、G蛋白偶联受体以及计算重新设计的结合蛋白等。

它们受到输出信号类型的限制（例如转录调节），并且依赖于有限的配体。为了加速生物技术的发展，需要开发针对用户定义分子的生物传感器的方法。

化学诱导二聚化（CID）提供了一种关键的机制，可以将传感与驱动耦合起来。在CID系统中，只有在小分子存在的情况下，两种蛋白质才能形成稳定的异源二聚体。

由于CID传感器依赖于单一蛋白质-蛋白质相互作用，因此可以构建调节转录、控制蛋白质定位和降解，以及调节细胞信号传导的模块化蛋白质结构。然而，在通常用于传感的CID系统中，配体结合在结合伙伴之间是共享的，这需要重新设计整个界面。

植物脱落酸（ABA）传感系统利用了自然发生的CID机制。其中一个例子是拟南芥PYR1-PP2C系统。在该系统中，PYR1的配体识别导致PYR1-配体-蛋白磷酸酶（PP2C）复合物的形成，从而抑制磷酸酶的活性。

这个系统的独特之处在于配体识别仅发生在PYR1内部，简化了新的CID模块的工程设计。磷酸酶的作用类似于辅助受体，与PYR1结合会降低配体解离率并使结合亲和力增强约100倍。

只需微摩尔级别的PYR1结合剂就可以作为纳摩尔级别的传感器与磷酸酶结合。通过高密度诱变的方法，可以快速开发出便携且可移植到体外和体内控制系统的感测-响应执行器。这种支架的灵活性和适应性为生物技术领域的各个领域提供了加速发展的可能性。

这样看来化学诱导二聚化是一种有吸引力的机制，可以用于设计设计灵敏、特异和便携的生物传感器，而拟南芥PYR1-PP2C系统则作为一个有效的蛋白质支架在该领域具有广泛的应用前景。

通过单点饱和诱变产生的PYR1变体库成功分离出可用于调节植物胁迫耐受性的农用化学受体。利用结构引导方法，我们预测了PYR1的配体结合口袋中的25个残基与ABA密切接触，这意味着可以通过组合475种可能的单突变体来产生108,300种双突变体。

基于对保守受体激活机制的了解，我们移除了六个位置，并使用Rosetta蛋白质设计软件预测了剩余19个位置的361个单突变体的稳定性糖心vlog在线观看。这个分析确定了四个对突变特别敏感的位置，限制了最终文库中的氨基酸选择，而其他位置可以突变为除半胱氨酸或脯氨酸以外的任何氨基酸。

经过这些步骤，我们获得了一个包含37,797个单和双非同义突变体（总共42,743个突变体）的文库。通过连续两轮的单点切口诱变，使用301个单突变寡核苷酸池构建了36,452个突变体。

而涉及到八个残基以内的6,291个突变体无法使用单突变寡核苷酸组合，因此使用双突变寡核苷酸池通过单点切口诱变构建。最终，这两个文库组合形成了用于后续筛选的双位点诱变袖珍文库（DSM）。DSM文库经过深度测序确认含有超过99.8%所需的双突变体。

图 1：基于 PYR1 的高亲和力大麻素传感器的蛋白质结构引导设计。

在研究里我们团队测试了几种高亲和力传感器与同源配体的交叉反应性，发现尽管存在一些交叉反应性，但在所有情况下，靶灵敏度至少比脱靶灵敏度高10倍。PYR1衍生的传感器可以灵敏且选择性地检测配体。

为了了解进化的受体识别大麻素的分子基础，我们试图获得受体-大麻素-HAB1复合物的结构，并针对两个高亲和力传感器PYR1 4F和PYR1 WIN进行了研究。

经验表明，PYL2比PYR1更容易形成晶体。通过转置突变，我们成功赋予PYL2对配体的选择性反应性，生成了PYL2 4F和PYL2 WIN，它们都保留了纳摩尔级的配体反应性tangxin。

通过计算重新设计，我们创建了稳定的、催化失活的HAB1衍生物，它具有较高的热稳定性并保持与PYR1的高亲和力配体结合。使用这些工程蛋白质进行矩阵筛选，我们获得了三元PYL2的高质量晶体，其中包含WIN /WIN 55,212-2/ΔN-HAB1 T+复合物的结构。

我们还注意到，进化的受体可以识别具有生物活性的(+)-WIN 55,212-2立体异构体，尽管选择时使用了非手性化合物。天然传感器识别ABA的一个关键特征是形成一个封闭的受体构象异构体，该异构体由结构保守的水、ABA环酮、门和锁环中的主链酰胺以及HAB1的W385之间的氢键网络稳定Trp-"锁定"残基。

在我们的PYL2 WIN结构中，WIN 55,212-2的萘并吲哚酮功能类似于ABA的酮，并通过水介导的氢键与门中的主链P92、闩锁中的R120和HAB1的W385锁残基形成配位。

下图表示基于 PYR1 的传感器可移植到使用 PYR1 WIN演示的各种基于 CID 的输出系统

再此次研究中我们展示了素受体作为支架的快速生物传感器的发展潜力。通过测试多种高亲和力传感器与同源配体的交叉反应性，并通过结构解析获得受体-配体-催化失活衍生物复合物的结构，研究人员成功实现了灵敏和选择性的配体检测。

这项研究为快速生物传感器的设计和开发提供了有力的基础，并为了解进化受体识别机制以及植物激素信号转导提供了重要的分子基础。这些发现有望在医药、农业和环境领域的生物传感技术应用中发挥重要作用，为相关领域的研究和应用提供了有益的参考和启示。

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