Development of Receptor-Based Biosensors for Mimicking Human Cold Sensation and Detection of SARS-CoV-2

Abstract

To create a biosensor that mimics the human body, we devised various receptor-based biosensors. First, we developed a bioelectric sensor that detects cold stimulation by mimicking the human sensory system. Second, we constructed a virus detection sensor that mimics the structure of the cell membrane and maintains its function outside of the cell membrane. Reproducing the skin sensation is important for biomimicking the human sensation system. Temperature sensation is modulated by transient receptor potential (TRP) channels. In particular, the TRP melastatin 8 (TRPM8) ion channels detect cold sensations that can be noxious to humans. This study aimed to develop a bioelectronic sensor by producing these temperature-sensitive ion channels in the form of nanovesicles. Specifically, the TRPM8 ion channel was expressed in human embryonic kidney 293 cells, produced in the form of nanovesicles, and confirmed using western blot analysis. Functional analysis was conducted using a calcium assay following 6.4 mM menthol treatment of the TRPM8 ion channel nanovesicles. Nanovesicles with confirmed function were immobilized on a carbon nanotube channel. These immobilized nanovesicles exhibited sensitivity to menthol oil diluted up to concentrations of 10-10 at 24℃ and 10 times higher sensitivity at 18℃. Our sensors showed potential as an effective tool to detect chemical cold stimuli and exhibited a confirmed real-time response. Biosensors can be developed to sense external stimuli, and they can also be developed to detect viral or bacterial presence. The SARS-CoV-2 is a worldwide pandemic, and there is currently no treatment for SARS-CoV-2. Therefore, fast and accurate detection of the virus has become crucial. We present a nanodisc-based biosensor, using hACE2 as a sensor, that is capable of rapidly detecting SARS-CoV-2. The hACE2 strongly binds to the spike protein of SARS-CoV-2, and our biosensor showed that the hACE nanodisc (hACE2ND) can detect the virus regardless of viral mutations. Additionally, a 6xHis-tag was included, so that it can easily bind to the sensor chip of SPR used as a sensor platform. This SPR biosensor not only showed effective binding of the spike protein to the receptor binding domain (RBD), but also showed high binding ability in an experiment using a pseudovirus with a spike protein similar to that of SARS-CoV-2. These results indicate that hACE2ND can detect SARS-CoV-2 quickly and accurately. Additionally, this study presents a strategy for developing biosensors that are faster and more accurate than the conventional SARS-CoV-2 detection methods. |인체를 모방한 바이오 센서를 생성하기 위하여, 우리는 여러가지 수용체 기반의 바이오 센서를 고안하였다. 먼저 인간의 감각 시스템을 모방하여 냉감 자극을 감지하는 생체 전기 센서를 만들었다. 두번째로 세포막의 구조를 모방하고 세포막 외부에서도 기능을 유지하는 바이러스 검출 센서를 만들었다. 피부 감각을 재현하는 것은 인간의 감각 시스템을 모방하는 데에 중요하다. 온도 감각은 transient receptor potential (TRP) 채널에 의해 조절된다. 특히, TRP melastatin 8 (TRPM8) 이온채널은 인체에 유해할 수 있는 냉감 자극을 감지한다. 이 연구는 이러한 온도에 민감한 이온채널을 나노소포 (nanovesicle) 형태로 생성하여 생체 전자 센서를 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 구체적으로, TRPM8 이온 채널은 human embryonic kidney 293 세포에서 발현되어 나노소포 형태로 생성되었으며 웨스턴 블롯 분석을 통해 확인되었다. 나노소포의 기능 분석은 TRPM8 나노소포의 이온채널에 6.4mM 멘톨을 처리한 후 칼슘 분석을 사용하여 수행되었다. 기능이 확인된 나노소포를 탄소나노튜브 (CNT) 채널에 고정시켰다. 고정된 나노소포는 24℃에서 10-10 농도까지 희석된 멘톨 오일에 대해 감지하는 민감도를 나타냈으며, 18℃에서 10배 더 높은 민감도를 나타냈다. 우리의 센서는 화학적 저온 자극을 감지하는 효과적인 도구로서의 잠재력을 보여주었고 화학적 저온 자극에 대한 실시간 반응을 나타냈다. 바이오센서는 외부 자극을 감지하기 위해 개발될 수 있으며, 바이러스 또는 박테리아 존재를 감지하기 위해 개발될 수 있다. SARS-CoV-2는 전 세계적인 유행병이며 현재 SARS-CoV-2에 대한 치료법은 없다. 따라서 바이러스의 빠르고 정확한 탐지가 중요해졌다. 이 연구는 hACE2를 센서로 사용하여 SARS-CoV-2를 빠르게 감지할 수 있는 나노디스크 (nanodisc) 기반 바이오센서를 제시한다. hACE2는 SARS-CoV-2의 스파이크 단백질에 강력하게 결합하며, 우리 바이오센서는 hACE 나노디스크(hACE2ND)가 바이러스 돌연변이와 상관없이 바이러스를 검출할 수 있음을 보여주었다. 또한 6xHis-tag를 포함하여 센서 플랫폼으로 사용되는 surface plasmon resonance (SPR)의 센서 칩에 쉽게 결합할 수 있다. 이 SPR 바이오센서는 스파이크 단백질이 수용체 결합 도메인(RBD)에 효과적으로 결합할 뿐만 아니라 SARS-CoV-2와 유사한 스파이크 단백질을 가진 슈도바이러스 (pseuudovirus)를 이용한 실험에서도 높은 결합능을 보였다. 이러한 결과는 hACE2ND가 SARS-CoV-2를 빠르고 정확하게 감지할 수 있음을 나타낸다. 또한, 본 연구는 기존의 SARSCoV-2 검출 방법보다 빠르고 정확한 바이오센서 개발 전략을 제시한다.