npj Biosensing 六月论文精选

【单分子蛋白构象观测】Label-free optical observation of disordered-to-ordered transitions in single intrinsically disordered proteins

固有无序蛋白（Intrinsically disordered proteins, IDP）及含有固有无序区域（intrinsically disordered regions, IDR）的结构化蛋白缺乏确定的三级结构，并与阿尔茨海默病和癌症等疾病的发生密切相关。迄今为止，对单个无标记IDP/IDR进行实验观测仍面临巨大挑战：结构异质性限制了系综（ensemble）技术全面捕捉其特性的能力，而单分子测量通常需要位点特异性修饰或非生理条件，从而干扰了其天然的生物物理状态。本研究利用纳米孔径光镊（nanoaperture optical tweezers）捕获并研究单个IDP/IDR，首次实现了在单分子水平上对未修饰IDP/IDR构象动力学的实验观测。结果显示，与大小相当的球状蛋白相比，IDP/IDR表现出显著更大的构象变化。本研究证实，由糖原合酶激酶 3β 对天然 tau-441 进行磷酸化（GSK3β-tau）会诱导致密化并降低构象动力学。此外，本研究还观察到在 68 kDa 有丝分裂 Src 相关蛋白（Sam68）的 N 端区域与 G8.5 RNA 结合过程中发生了无序到有序的转变。这些发现将纳米孔径光镊呈现为一种有力方法，可推进对 IDPs/IDRs 的理解，并进一步解析其在相关疾病中的作用。

图1纳米孔径光镊用于单分子蛋白捕获的示意图。

【可穿戴运动监测】Interdigitated capacitive strain sensor enables precise yoga-inspired motion tracking

本研究报道了一种用于可穿戴姿势识别的全织物基交指电容（fully textile-based interdigitated capacitive）应变传感器。该传感器轻便、舒适且可水洗，在6,500次应变循环中保持了稳定的机电性能；在测试的应变条件下，其灵敏度因子（gauge factor）的绝对值介于0.67至0.81之间。将该传感器集成到服装中，可在四种生物力学特征各异的瑜伽姿势（高位弓步、前弓步、深蹲和树式）下捕捉多维电学响应，包括电容、电阻及相位相关信号。通过使用结合手工构建的传感器通道特征和 MiniROCKET 时间序列特征的监督式机器学习流程，记录层面的分类达到 94.4% 的准确率和 94.2% 的宏平均 F1 分数。记录层面的五折交叉验证进一步显示，各折之间性能稳定，支持该分类框架在当前受控队列中的稳健性。一类对其余类别(one-vs-rest) 的受试者工作特征分析得到的曲线下面积分别为 90%、94%、99% 和 99%，对应高位弓步、前弓步、深蹲和树式。通道消融分析确定，电容衍生特征是信息量最高的预测因子。统计和时间分析进一步显示出姿态依赖的信号幅值、归一化响应和波形动力学差异，而监督式低维投影显示出明确的类别结构。这些结果证明了基于纺织品的 IDC 传感用于可穿戴运动监测应用的可行性，例如数字健身。

图2全织物基交指电容式应变传感器的概念设计

【纳米孔机器学习分析】NanoBoost: a wavelet transform-enhanced machine learning algorithm for nanopore sensing

纳米孔传感已经发展成为一种强有力的单分子分析技术，其中分子载体在增强信号特异性和实现多重诊断方面发挥关键作用。在这些载体中，纳米颗粒由于其可调节的尺寸和形状而具有独特优势，这使其能够在易位过程中产生不同的电信号特征，并扩大生物标志物检测的范围。在本研究中，作者提出了一种机器学习流程，将 eXtreme Gradient Boosting（XGBoost）框架与离散小波变换（Discrete Wavelet Transform, DWT）的一种新应用相结合，以高准确率对纳米孔检测中的纳米球和纳米棒进行分类。通过提取纳米孔事件特异性的小波特征，该模型在尺寸分类中达到 91% 的准确率（5 nm 与 10 nm 纳米球），并在形状分类中达到 99% 的准确率（纳米球与纳米棒）。特征重要性分析表明，模型的决策基于物理信号特征。无监督学习揭示了五种不同的纳米棒易位轮廓，这些轮廓与翻滚和孔壁相互作用等各向异性行为相关。透射电子显微镜（TEM）分析验证了结构异质性，支持了分类结果。该流程进一步应用于 DNA 易位事件，识别出关键构象状态并展示了其通用性。本工作为用于纳米孔诊断和未来应用的、基于纳米颗粒的分子载体设计建立了一个框架，使单分子水平的实时、高准确率生物标志物筛查成为可能。

图3纳米孔传感装置示意图

【心肌细胞收缩力测量】Optomechanical biosensor for cardiomyocyte contractility measurement: from single-cell to network activity

对心肌细胞收缩力进行准确、高通量评估，对于心脏药物筛选和毒性测试至关重要。本研究提出了一种无标记光机械生物传感器，用于对人诱导多能干细胞来源心肌细胞（hiPSC-CMs）进行非侵入式监测。该器件具有一层图案化有聚二甲基硅氧烷（PDMS）微膜（约 30 µm）的氮化硅膜，每个微膜都作为机械传感器，将细胞搏动转换为光信号。后者通过收集位于微膜下方腔室中的荧光染料密度局部变化来测量，该腔室随后与细胞培养物完全分隔。该平台能够实时测量搏动频率、收缩持续时间、同步性和波传播速度。使用异丙肾上腺素 (isoprenaline) 和布雷比他汀 (blebbistatin) 进行的功能验证证实了其对药理学调控的敏感性，而免疫染色验证了心肌细胞层的结构完整性。与常规技术相比，该方法提供了更高的空间分辨率、并行的单细胞和网络测量能力，以及估算收缩力的能力。其可扩展设计和多路复用能力使其成为用于心脏药物筛选、疾病建模和电生理学研究的有前景工具。

图4 光机械生物传感器用于监测 hiPSC 来源心肌细胞收缩活动的器件结构示意图