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Engineering transmembrane signal transduction in synthetic membranes using two-component systems

跨膜蛋白 生物传感器 合成生物学 信号转导 转导(生物物理学) 组分(热力学) 纳米技术 细胞生物学 生物物理学 生物 计算生物学 化学 材料科学 生物化学 受体 物理 热力学
作者
Justin A. Peruzzi,Nina R. Galvez,Neha P. Kamat
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (19) 被引量:17
标识
DOI:10.1073/pnas.2218610120
摘要

Cells use signal transduction across their membranes to sense and respond to a wide array of chemical and physical signals. Creating synthetic systems which can harness cellular signaling modalities promises to provide a powerful platform for biosensing and therapeutic applications. As a first step toward this goal, we investigated how bacterial two-component systems (TCSs) can be leveraged to enable transmembrane-signaling with synthetic membranes. Specifically, we demonstrate that a bacterial two-component nitrate-sensing system (NarX-NarL) can be reproduced outside of a cell using synthetic membranes and cell-free protein expression systems. We find that performance and sensitivity of the TCS can be tuned by altering the biophysical properties of the membrane in which the histidine kinase (NarX) is integrated. Through protein engineering efforts, we modify the sensing domain of NarX to generate sensors capable of detecting an array of ligands. Finally, we demonstrate that these systems can sense ligands in relevant sample environments. By leveraging membrane and protein design, this work helps reveal how transmembrane sensing can be recapitulated outside of the cell, adding to the arsenal of deployable cell-free systems primed for real world biosensing.
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