在診斷疾病時，經常需要實驗室檢查來輔助診斷疾病，一管 3mL 的血液檢體便可替我們得到許多身體中異常的數值。由於為非侵入性，且具方便使用的優勢，體外檢驗技術逐漸在全球健康照護體系中佔有越趨重要的地位。然而傳統檢驗法通常需要大型且昂貴的精密儀器，而且檢體處理步驟較複雜，難以落實到人人隨手隨地可為自己進行某些檢驗的程度。
為了解決上述的問題，許多生物工程學者從傳統的生化檢驗方法轉向利用細菌來為我們做檢測，全細胞生物偵測器（Whole-cell biosensors）便是其中之一。活細胞構成的生物偵測器有幾個非常吸引人的優點可應用於檢驗上，這些偵測器可自行複製量產，並且經過長時間貯存後仍然可以使用，最後是多樣性高，可再搭配上如電子元件或微流體技術。這些好處促成了許多能檢測臨床數據的生物偵測器被發明，然而實際應用則尚未實現。
生物偵測器應用在臨床醫學的領域，由於幾項阻礙使得實際應用遭遇到一些瓶頸，包括以下幾項：(1) 信噪比（Signal-to-noise ratio, S/N ratio）（訊號強度與背景雜訊強度的比率）過低，(2) 偵測器的功能會被檢體所部分抑制，(3) 多種生物標記的邏輯處理困難（Logic processing）。所幸在幾年前，我們似乎看到了解決這些問題的曙光，攜帶有生物三極體（Transistor）的全細胞生物偵測器開發研究於 2013 年，由美國史丹福大學的生物工程教授 Drew Endy （同時是國際合成生物學競賽的協辦者，BioBricks 公司的共同創辦人） 發表於 Science 期刊 1，而該生物三極體被稱為「Transcriptor」，是利用嗜菌體絲胺酸銜接酶 （Bacteriophage Serine Integrase）來控制 RNA 聚合酶（RNA polymerase）是否能順利地在 DNA 模板上進行轉錄作用，並具有放大訊號的功能，讀者們想更進一步了解也可在 Youtube 上搜尋到解說「Transcriptor」的影片，傳送門: https://goo.gl/qqFnEq）。另外再結合多個三極體單元，使用布林邏輯（Boolean integrase logics）運算形成的邏輯閥（Logic gate （AND, OR, NOT……））2，我們就可控制得到我們想要的放大訊號並消除背景雜訊，而且可同時處理多種偵測分子的訊號。
因此，在此文章中作者以合成生物學改良了全細胞生物偵測器，加入了上述提到的「Transcriptor」技術，藉由基因工程轉殖入細菌的 DNA，用以偵測人類尿液與血清中臨床上需要的生物標記。這些以細菌為主體的全細胞生物偵測器所執行的功能包含將訊號放大（Amplifying digital switches）；使用布林邏輯閥同時處理多重訊號，希望能克服目前生物偵測器所遇見的幾項常見問題，並提供給其他研究者們一個模型，以利進一步的研究與應用開發。除了提出解決目前難題的模型之外，研究中也實際地偵測臨床檢體驗證其實用性。這項實驗中以兩種分子作為檢驗的驗證，一種是 NOx 類的分子（Nitric Oxides），參與在許多人體內病理性的發炎反應；另一種是實際檢驗糖尿病病人的尿糖。
在糖尿病病人中，尿糖升高通常代表疾病惡化，在此研究中，作者利用可偵測葡萄糖、丙酮酸，以及醋酸的啟動子，以及紅色螢光蛋白作為偵測尿糖的生物偵測器。藉由聚乙酸乙烯酯和海藻酸鈉（polyvinyl acetate, PVA/ alginate）製成的水凝膠顆粒為載體，此生物偵測器成功在糖尿病病人的尿液中偵測出尿糖，且其偵測靈敏度遠比現今所使用的尿液試紙（urine dipstick）要高得多。
全細胞生物偵測器對於偵測生物分子是一種非常有效的分析工具，而且具有許多優勢。但仍有幾個問題要解決：如想要偵測有興趣的分子時就要找到相應對該分子敏感的細胞、帶有對該分子有專一性的受體，或具有容易受到該分子調控的 RNA 開關（RNA switches）以調控基因表現；生物偵測器反應時間過長亦在實際臨床用途上產生困難；最後，相關法規措施也需進行配套，以利商業或臨床應用。
合成生物學結合了生物學，基因工程，模組化 （Modular）的概念，電子學，邏輯學各領域的創意，讓我們能更輕易地利用微生物來成為我們可利用的檢驗工具，未來這些基因工程將更廣泛地應用到醫療上的各個層面，可能涵蓋了檢驗、藥品製造、甚至是治療疾病，為人類帶來莫大的幫助，我們可以期待在未來合成生物學將充斥於生活中的每一處！
參考文獻
- Bonnet, J., Yin, P., Ortiz, M. E., Subsoontorn, P., & Endy, D. (2013). Amplifying enetic Logic Gates. Science, 340(6132), 599-603. doi:10.1126/science.1232758
- What is logic gate (AND, OR, XOR, NOT, NAND, NOR and XNOR)? – Definition from WhatIs.com. (n.d.). Retrieved from https://whatis.techtarget.com/definition/logic-gate-AND-OR-XOR-NOT-NAND-NOR-and-XNOR
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Courbet, A., Endy, D., Renard, E., Molina, F., & Bonnet, J. (2015). Detection of pathological biomarkers in human clinical samples via amplifying genetic switches and logic gates. Science Translational Medicine, 7(289), 289ra83-289ra83. doi:10.1126/scitranslmed.aaa3601
撰文│姚京含
修訂│楊仁龍
