用基因工程噬菌体实现的对挥发性有机化合物具有出色的灵敏度和选择性的 光学生物电子鼻：多尺度计算预测和实验验证的综合研究

噬菌体的基因工程是开发功能强大的生物传感器的一种很有前途的方法。然而，作中几乎无数的配置自由度、该方法涉及的相当大的不确定性和成本，一直是实现目标的障碍。

在文中，展示了对带有基因工程噬菌体的气态炸药具有高选择性的快速响应光学生物传感器。传感器在噬菌体中配备了肽序列，在可见光下与挥发性有机化合物 （VOC） 最佳相互作用。为了克服传统问题，广泛利用实证计算构建了一个包含 8000 种三肽的大型数据库，并筛选出属于三个化学类别的 9 种 VOC 的最佳电子鼻传感性能。第一性原理密度泛函理论 （DFT） 计算揭示了电子能带结构水平上的化学亲和力和光学性质变化之间的潜在相关性。通过使用由五个选定的三肽序列和野生型噬菌体实现的转基因噬菌体的多阵列传感器的体外实验设计和测试来验证计算结果。从分层聚类分析估计的分类成功率与计算结果非常一致。我们的光学生物传感器对爆炸性 VOC 的传感分辨率为 1 ppb，与传统生物传感器相比，这是一个重大改进。基于大数据的计算预测和原位实验验证的系统相互作用可以为非常规出色的生物传感器提供智能设计原则。

图1 8000 种三肽与 9 种 VOC 筛选的总体示意图。

图2 筛查结果。（a） 8000 种三肽与 3 种化学类别的对接中的分数分布。（b） 每种 VOC 结合得分前 5% 的肽中存在芳香族氨基酸。（c） 每种配体结合得分前 5% 的功能性肽的氨基酸组成。（d） 由某些氨基酸类型的存在分类的肽的结合分数。

图3 肽中存在特异性芳香族氨基酸，对目标爆炸分子具有优异的结合评分（前 5%）。高概率表明特定氨基酸在靶分子的结合中很重要。

参考文献:

Optical bioelectronic nose of outstanding sensitivity and selectivity toward volatile organic compounds implemented with genetically engineered bacteriophage: Integrated study of multi-scale computational prediction and experimental validation.