CN1219239A - 寻靶至特异性配体的生物检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用来探测和定量测定液体、气体或基质中的分子的生物检测器。更具体地,本发明涉及包括在与靶物质相互作用时以分子开关机理表达报道基因的生物检测器。本发明还涉及用这种生物检测器高特异性、高灵敏度地检测和定量测定所选物质的方法。

Description

寻靶至特异性配体的生物检测器
Ⅰ．发明领域
本发明涉及用来探测和定量测定液体、气体或固体基质的分子的生物检测器。更具体地，本发明涉及含有在与靶物质发生相互作用时以分子开关机理以表达报道基因的生物检测器。本发明还包括用这些生物检测器来高特异性、高灵敏度地探测和定量测定所选物质的方法。
Ⅱ．发明背景
在生物样品、体内或环境内检测低浓度水平的生物和无机物质通常是很困难的。这种类型的检测测定包括多个步骤，它们包括第一抗体结合步骤、几步洗涤、与第二抗体的结合、再次洗涤，且根据检测体系，还可包括附加的酶反应和洗涤步骤。这类测定方法还有灵敏度低、准确性差的缺点。例如，传统的免疫测定会漏检30％的传染病。
分子探针测定法尽管很灵敏，但是需要技术非常高的操作人员和对生物核酸序列的了解。用核酸探针和基于聚合酶链反应(PCR)的测定法只能检测核酸，它们需要复杂的抽提步骤，而且核酸可能是或不是疾病状态的主要指标或只是杂质。当待检测实体提供的信息非常少时，这两类测定方法均有局限性。
目前测定患者的物理参数如CAT或MRI的非侵染性方法是很昂贵的，且常常是不可及的。因此，许多医学问题的检测仍然需要缓慢而昂贵的试验。实际试验和确认病情之间的时间可能是非常重要的。例如，在败血症病例中，许多患者在确认感染、鉴定出感染的生物之前就已死亡，这样治疗就要依靠经验，从而效果较差。另一个例子是筛选血样中的病原体。
无病原体血样的校准需要大量劳动强度高的测定。在HIV-1(引起AIDS的病毒)例子中，目前的测定方法是筛选抗HIV的抗体而不是病毒本身。人受病毒感染许多周时间内检测不到有抗体，而血液中已经含有大量感染性病毒颗粒。Clark等，1994,J.Infect,Dis.170:194-197；Piatak等，1993,Aids Suppl.2:S65-71。
例如，为了确定血样中不含HIV-1，必须进行数个劳动强度高且昂贵的试验。而且，目前用来最初的鉴别试验不会鉴定出以相对较低的浓度存在的病毒本身，而是鉴定在最初感染的数周后才会存在的HIV抗体。Clark等，1994,J.Infect,Dis.170:194-197；Piatak等，1993,Aids Suppl.2:S65-71。因此，对血样的鉴别不仅耗时、缓慢，而且还不准确。
同样，检测环境中的物质(如空气中或水中的杂质)的能力也是非常重要的。例如，需要用不昂贵的多用途测定方法来实时监测地下水来控制工业加工、食品加工操作。然而，目前的方法不适于这样的“在线”监测。
目前的方法有局限性的原因有几个。首先，获得足量的检测物很困难。例如，检测生物物质很困难，因为感兴趣的生物物质通常在体内，因此对于体外监测很难获得大的量。因此，需要采用只需少量物质的灵敏的测定方法。这表明需要有一种放大信号的方法。现在已经建立了用于检测核酸的信号放大方法，但是它不适用于抗原检测方法。
第二个问题是实时传感可能是困难的，因为靶物质的存在量很少，检测它们的存在需要耗时、昂贵和有技术参与的方法。例如，在血液中感染细菌的败血病例中，1-10毫升血样内可能只有1-2个细菌。目前的方法需要首先使细菌生长从而才能来检测。Askin,1995,J.Obstet.Gynecol.Neonatal.Nurs.24:635-643。这种时间滞后是有害的，因为延迟治疗或是不治疗疾病就可能意味着生和死之间的分别。
其它人试图通过采用放射性或荧光标记与抗体组合使用来避免这些局限性(Harlow等，(1988),Antibodies:A Laborartory Manual(Cold Spring Harbor,NY:ColdSpring Harbor Laborartory Press))。以抗体为基础的测定方法通常包括：使抗体与靶分子结合，然后用一系列的洗涤步骤除去所有未结合的抗体。抗体与其靶分子的结合通常可用鉴定分子(例如含有可检测标记的特异性识别靶分子特异性抗体的次级抗体)来检测。步骤后也进行多步洗涤。或者，靶特异性抗体可以直接与可检测标记相连。标记包括放射性微量元素、荧光标记和化学发光检测体系。Harlow和Lane,1988,Antibodies:A Laborartory Manual(Cold Spring Harbor,NY:Cold Spring Harbor Laborartory Press))。
所需的用这些以抗体为基础的测定方法来形成特别信号的一系列步骤是耗时的，且劳动强度大。而且，这些测定方法局限于只能测定固定在某些基质上的抗原。这类检测体系的实例包括Western印迹法、免疫组织化学法和ELISA。目前用放射性同位素和化学发光标记可获得最高的灵敏度。然而，这些检测体系的灵敏度(即在背景上的特异性信号)通常有限制因素。
同样，背景辐射在放射性免疫测定技术也有灵敏度方面的局限性。此外，这些技术是耗时且昂贵的。最后，放射性方法对环境有害，因为它们有大量废物处理问题。
检测物质的另一种方法是采用光。光的优点是它很容易测量、没有侵染性且是定量的。Von,Bally等，(1982)Optics in Biomedical Sciences:Proceedings of theInternational Conference(Berlin,New York:Springer-Verlag)。
传统的光谱法包括将光照射入物质中，并根据光的吸收和散射来计算浓度。Von,Bally等，(1982)Optics in Biomedical Sciences:Proceedings of the InternationalConference(Berlin,New York:Springer-Verlag)。光技术检测光吸收或光散射物质的浓度变化。Von,Bally等，(1982)Optics in Biomedical Sciences:Proceedings ofthe International Conference(Berlin,New York:Springer-Verlag)。近红外光谱法表明它是非离子化的，相对安全的辐射形式，它能很好地用作医用探针，因为它可以穿透组织。而且，甚至在很大剂量下它也能很好地耐受。例如现在用光来计算血液中(Nellcor)或是体内(Benaron图象)氧气的浓度，或甚至是用来检测体内葡萄糖(Sandia)。Benaron和Stevenson,1993,Science 259:1463-1466；Benaron等，1993,in:Medical Optical Tomography: Functional Imaging and Monitoring,G.Muller,B.Chance,R.Alfano等eds.(Bellingham,WA USA:SPIE Press),pp.3-9；Benaron和Stevenson,1994,Adv.Exp.Med.Biol.361:609-617。然而，由于许多物质没有独特的光谱信号，不能进行方便和定量的光测定，从而限制了当前的此项技术。Von,Bally等，(1982)Optics in Biomedical Sciences: Proceedings of the InternationalConference(Berlin,New York: Springer-Verlag)。而且，尤其是在生物介质如组织中。低浓度物质的检测通常受高背景信号的干扰，Von,Bally等，(1982)Optics inBiomedical Sciences:Proceedings of the International Conference(Berlin,New York:Springer-Verlag)。
在过去的几年里，由于极灵敏的检测和定量光的方法的发展，以光发射为基础的测定方法，例如化学发光法(Tatsu和Yoshikawa,1990,Anal Chem.62:2103-2106)，已经受到越来越多的注意。Hooper等，1994,J.Biolumin.Chemilumin.9:113-122。采用化学发光的生物医学研究产品的一个例子是用于免疫测定和核酸检测的ECL检测系统(Amersham)。
生物源光(生物发光)在生物测定中的应用也随化学发光检测而同时发展，因为需要检测光的装置是相似的。Kricka,1991,Clin.Chem.37:1472-1481。最常用的生物光源是萤光素酶，一种能由很多生物合成的发光酶，这些生物包括Phoninuspyralis(美洲萤火虫)、Renilla reniformis(磷光珊瑚)和Photobacterium(发光细菌类)。通常，萤光素酶是低分子量的氧化还原酶，它在氧气、ATP和镁离子存在下催化萤光素脱氢。在该步骤中，约96％的能量以可见光释放。参见Jassim等，1990,J.Biolumin.Chemilumin.5:115-122。
光子检测的灵敏性和有设计制造出能表达生物发光蛋白质细菌和其它细胞的能力使人能够将这些细胞作为灵敏的生物传感器用于环境研究。Guzzo等，1992,Toxicol.Lett.64:687-693；Heitzer等，1994,Appl.Environ.Microbiol.60:1487-1494；Karube和Nakanishi,1994,Curr.Opin.Biotechnol.5:54-59；Phadke,1992,Biosystems 27:203-206；Selifonova等，1993,Appl.Environ.Microbiol.59:3083-3090。例如，Selifonova等描述了用于检测环境中污染物的生物传感器。更具体的是，通过采用Hg(Ⅱ)可诱导的Tn2l操纵子和来自费希尔氏弧菌Vibriofischeri的无启动子的luxCDABE的融合，可以构建成用来检测Hg(Ⅱ)的高灵敏度生物传感器。
除了采用生物发光法作为特异性条件(如上所述的Hg(Ⅱ)的存在)的检测方法的系统外，已经采用萤光素酶的组成型表达来作为标记以示踪细菌细胞的存活，因为萤光素酶测定法取决于细胞的存活。例如，最近已经将萤光素酶的组成型表达用来抗细菌疾病的药物和疫苗研制中。具体的是，已经采用萤光素酶增强表达的鸟结合分支杆菌Mycobacterium tuberculosis株系来评价小鼠中的抗微细菌活性。Hickey等，1996,Antibacterical Agents and Chemotherapy 40:400-407。
然而，依赖于细菌受体来引发萤光素酶的生物传感器局限于只能感受那些有与可融合入萤光素酶基因的已知启动子区域相连的相应细菌受体分子。而且，用来测试小鼠中抗微生物活性的萤光素酶表达菌是非特异性的。
因此，尽管已经有用生物发光，尤其是萤光素酶作为生物发光传感器的方法用于非常专一性的应用，而本发明涉及用于广泛应用的高灵敏度、高选择性的配体特异性生物检测器。更具体的是，本发明将配体特异性结合的选择性和抗体谱(repertoire)的多能性与生物发光检测的灵敏度结合起来，具有用靠光子发射特异性来响应预定配体的内在本质(entity)。因此，本发明的方法提供了非常灵敏的生物检测器用于各种测定方法来检测任何数量的商业上重要的分子。
Ⅲ．发明概述
本发明涉及用于检测和监控所选物质的定向配体特异性生物检测器。更具体地，本发明的生物检测器包括(1)一个信号转换元件，它包括一个胞外配体特异性结合部分，该结合部分与能激活(2)转导物组件的胞内信号转化结构域融合，处于活性状态下的转导物组件可以激活(3)效应元件，如与编码有独特性质而易于检测(如用光来检测)的多肽的(4)报道基因作用相关联的启动子。因此，本发明的生物检测器将与靶物质(即配体)的结合转变成可检测信号。在本发明的一个较佳实例中，生物检测器产生的信号是光，它可用一个光电探测器来检测。因此，就可以鉴定感兴趣的物质。
本发明还涉及用这些生物检测器高灵敏度、高特异性地检测和监控所选物质的方法。本发明生物检测器的应用方法包括检测食品和农业中的污染物，医药和研究上的诊断和监控，和环境或防御装置中的毒物或污染物的检测。
Ⅳ．附图简述
图1示出生物检测器主要组成的总的模式。生物检测器由一个实体组成，该实体中有感受组件(Y形结构的表面部分)、转导组件(Y形结构的生物检测器内部部分)和发光组件(小圆圈)。
图2更具体地示出了生物检测器分子水平的示意图。
图3示出在固体载体上有序排列的多个生物检测器，可以同时检测一个样品中不同物质。
图4示出实施例1中也指定的细菌基因组中转座子整合而产生的生物检测器。萤光素酶操纵子编码五种能够一起生物发光的蛋白质(来自基因A、B、C、D和E)。Chl，指抗氯霉素基因；Kan；抗卡那霉素基因；Amp，抗氨苄青霉素基因；PO4，磷酸酯基团(作为转导物的激活物)。
图5示出人体血液对发光沙门氏菌的光发射的影响，试验表明接近于单细胞检测。
Ⅴ．定义
除非另有所指，这里所用的所有术语的含义与本领域技术人员应当理解的含义相同。
这里所用的术语“靶分子”是指待检测和/或待定量化的物质。
除非另有所指，这里所用的术语“萤光素酶”包括原核和真核萤光素酶以及有改变或变化的物理和/或发光特性的变种。
这里所用的术语“生物检测器”是指用光信号来响应靶分子的结合或相互作用的光学信号。
这里所用的术语“光信号”是指可用光检测技术来区别的任何生化反应或物质。它包括光子发射、荧光和光吸收。
除非另有所指，这里所用的术语“光”是指波长约在220nm至1100nm的电磁辐射。
这里所用的术语“启动子诱导”是指直接或间接激活所选的可诱导的遗传因子的行为。
Ⅵ．发明详述
A．发明综述
本发明涉及用于检测和监控所选物质(包括微生物、分子和离子)的靶配体特异性生物检测器。通过采用靠光子发射来特异性响应预定配体结合的实体，本发明的生物检测器将配体特异性结合的特异性和选择性与生物发光检测结合起来。因此，本发明中的方法为针对任一选定物质的检测与监控的多种分析法的开发提供一种高灵敏的生物检测器。
更具体地，本发明的生物检测器通过一个“分子开关”(即信号转导)使配体特异性结合并与响应配体结合的可检测的报道分子激活相关联。本发明的生物检测器可以由不同的生物实体(如细菌)或非生物实体(如脂质体)组成。作为通用的方案，生物检测器的特征是它们能够特异性地识别配体，并将与配体的结合转变成一个可测定信号(如光发射)。例如，可用细菌作为配体特异性生物检测器，它能用光子发射来特异性地响应预定配体。
本发明的生物检测器能高度灵敏地检测各种物质，例如人血液中的微生物，病毒和细菌，有毒分子，离子，癌细胞，抗原，小分子(如葡萄糖)，pH，氧和金属。而且，本发明提供了这些生物检测器在各种测定方法中检测任何所选的物质的应用。通常，本发明的生物检测器包括一个信号转换元件，该元件包括一个胞外配体特异性结合部分，它与能激活转导物组件的胞内信号转化结构域相连。活性形式下的转导物组件可以激活效应元件，如与那些编码有独特性质易被检测的诊断多肽报道基因在作用过程中相互关联的启动子。或者，报道分子可以通过与信号转换元件的其它胞内信号转化区结合来直接激活。因此，本发明的生物检测器将与靶物质(即配体)的结合转变成可检测的信号。在本发明的较佳实施例中，生物检测器产生的信号是光，它可用光检测装置检测。因此，根据这种相互作用，就可定量或鉴定靶配体。
B．生物检测器
本发明的生物检测器的特征是它们能响应体内或体外的靶物质存在而产生可检测的信号。
在一个具体的实例中，光是生物检测器响应靶物质的存在而产生的可检测信号。由于没有来自正常组织和其它有机或无机物的背景光，因此体系的灵敏度只受生物检测器的背景噪声的限制。更具体地，本发明的靶配体特异性生物检测器包含一个配体特异性区域，它通过一个“分子开关”连接到编码可检测蛋白的报道基因上。然后报道基因响应配体与配体特异性区域的结合而激活。配体特异性结合部分可以是任何与感兴趣物质选择性结合的抗体。“分子开关”是信号转导组件，它将配体的结合与效应元件的激活相关联。转导分子可以是任意两个源于细菌的组份调控体系。(包括磷酸调节子)或任何真核转导物。效应元件可以是可诱导的与报道基因作用相关联的启动子。该报道基因的转录和翻译会产生能产生可检测信号(如光)的基因产物。信号可用合适的装置检测得到；当信号是光时，这种装置是光检测装置。
例如，发光检测器实体的成像可包括使用能检测水平非常低的光(通常是单光子行为)的光电探测器。如果需要，通过集成光子发射直至构成图象，可确定信号的位置。这些光电探测器的实例包括强化单光子行为的装置(如微通道板增强器和光电倍增管)。增强器可放在照相机前。另外，也可用能够在检测体系固有的背景噪声中检测单光子的灵敏相机(例如用液氮冷却)。
一旦形成光子发射图象，通常将其叠加在“正常”的物体反射光图象上，以提供发射光子源的对照框架。然后对这种“组合”的图象进行分析，确定物体中靶的位置和/或数量。在大多数情况下，不需要光源图象。从样品发射出的光子数量的简单定量(例如用光亮度计来检测)表明了光发射报道物的浓度。因此，光子数量与特异性检测器感受的靶配体数量成正比。检测器可放在离光发射生物检测器非常近，而没有需要图象的限制，这样就可使光检测和测定的灵敏度最优。微通道板增强器就可以这样的配置使用来检测单光子。这种装置目前由HamamatsuCorporation生产。在Hamamatsu系统中，通过将裂解缓冲液、萤光素酶和底物萤光素喷洒在固定化细胞上，就可测定单细胞的ATP浓度。
图1中显示了配体特异性生物检测器的一般机理。图2更详细地显示了较佳的生物检测器的分子机理。在所示的实例中，生物检测器是表达靶特异性信号跨膜转换元件的细菌细胞，该元件包括胞外配体特异性结合部分(如抗体)，该组成部分与胞内信号转化结构域相连。靶特异性信号转换元件被整合入膜(如细胞膜，它将“胞外”区室和“胞内”区室分开)中。配体特异性部分能够与所选物质结合从而激活胞内信号转化结构域。然后激活的胞内信号转化结构域将无活性的转导物转变成活性的转导物。转导物的特征是，当它转变成活性形式时，它能与和报道基因在作用过程中相互关联的启动子元件结合。报道基因或操纵子的转录和翻译会形成能产生可检测信号(如光)的基因产物。在本发明较佳的实例中，报道物是萤光素酶操纵子，它产生可见光并容易被高度灵敏地监控、测定和定量。
或者，信号转化结构域可以直接作用于修饰过的报道分子。报道分子被修饰成以无活性的形式表达，然后它可通过与信号转化结构域的直接作用而激活。
提供响应预定所选物质的“分子开关”的生物检测器与目前的方法相比有很多优点。首先，开关使得能够检测复杂混合物中的抗原，并且不需要洗去未结合的抗体，从而简化了检测方法。由于与抗体结合的配体引发发光，且样品中没有背景光，因此不需要用洗涤来减少信号噪声比，减少的噪声提高了灵敏度，只有特异性相互作用才会引发发光。
一旦与配体结合，就会激活酶级联反应(cascade)来发射信号。
而且，如果在例如病原体微生物的表面上表达出很多靶配体，则很多生物检测细菌会与一个靶结合，从而来放大信号，形成非常灵敏的检测体系。
另外，由于生物检测器体系中信号转换元件的配体特异性区域可以向弹夹那样交换，因此可形成无限量的生物检测器来识别任何所需的或所选的物质。因此，本发明的生物检测器是一种灵活的通用的系统，它可用来识别任何所选的物质，选择的范围可以很广泛。很快地就可开发出一种针对某一物质的生物检测器。
本发明的生物检测器是多用性的，因为它们在体内、溶液中或固定于传感器片上是有效的。而且，可以对这些生物检测器的排列进行构建，在不同的波长下或“生物传感器基片(chip)”的不同位置上进行操作，从而使得能同时监控和筛选多种试剂、基因、基因产物或其它靶的。参见图3。例如，为了构建能在一步中进行范围广而且有效的分析，生物检测器可以集成有独特多检测器的排列构型。例如，生物检测器可放在正常信号检测仪器顶部的凝胶上，当产生的信号是光时，仪器例如是电荷耦合器件(CCD)基片。由于CCD排列对信号的空间识别，因此生物检测器排列能用放置在一个传感器基片上排列中的多个不同的传感器来提供以光为基础的分析。这样，就可同时对例如血型、HIV感染情况、肝炎病情、淋巴细胞像和CMV阳性进行分析。就能迅速同时筛选出多种感染。
如果光是报道物产生的信号，则信号能以非侵入性方式检测，能通过例如组织来检测光。参见待审查美国专利申请No.08/270,631，其内容结合入本文作参考。
而且，由于本发明的生物检测器是生物相容的，对环境是无害的，因此它们的生产成本相当低，给使用者带来的负担较低，尤其与涉及产生毒废物的方法以放射性为基础的测定方法相比。
本发明生物检测器的一个显著的优点是减少了需要进行多个诊断测试的时间和劳动力。在许多测试和诊断领域中常见的限制速度的步骤是需要有适于迅速提供准确信息的传感和检测系统。实例包括筛选血样中的AIDS病毒和其它血液中的病原体，研究和评价组织培养物或动物模型中的新药，和监控基因治疗后的治疗蛋白质产出。例如，强制性(mandatory)筛选血样中的HIV和其它病原体目前需要大量试验。用内置(built-in)确认试验来廉价、迅速、特异性传感检测血液中的大量病原体能显著地简化方法，从而降低使用者的净成本。同样，对潜在新药(制药公司称为先导化合物)的评价现在需要精细、昂贵的组织培养和动物试验。能对药物动力学和效果进行体外和体内监控的廉价传感器和相关的硬件对于制药公司寻找简化这些先导化合物生产的方法是非常有价值的。
总之，与目前能获得的诊断检测体系相比，本发明的生物传感器提供很多优点。
1．实体遮蔽(sheltering)生物传感器
生物传感器的生物组件可以包含在有生命或无生命实体或是与其相连而必要相互反应。这些组件的结构形成了能够高度专一而灵敏地检测少量配体微型传感系统。
有生命的实体。更典型的，生物检测器的实体是活细胞，它被基因工程制成包含所有需要的组件。活实体包括但不局限于，原核生物、真核生物、病毒、逆转录病毒、载体、质粒、噬菌体、转化的真核细胞如淋巴细胞、巨噬细胞，建立的细胞系。更具体地，实体包括基因工程细菌细胞如大肠杆菌。基因工程修饰的细菌能以低成本迅速生长，因此用活细胞作为生物检测器实体的优点是，一旦构建出原始的生物检测器，就可大量复制和生长这些生物检测器。
采用“活”生物检测器实体有几个优点。首先，一旦制成传感器就可使生物检测器低成本生长。第二，它使得检测器可在组织内生长并继续发育，而不是象传统的无机传感器那样被消耗掉。第三，活的生物检测器可放大检测信号。例如，一个抗原与细菌表面的结合会引发一系列的发光物的形成，它们每一个均可以重复的方式产生光。因此，适当刺激体系的单抗原结合会导致一个活生物检测器中产生大量光子。第四，由于这些生物检测器可大量地与靶结合，结果每个均能放大结合行为的许多生物检测器(即细菌)会导致信号高度的放大。因此，就可获得非常高的灵敏度。
无生命的实体。然而也可制成非生物生物检测器。生物检测器系统可放入非生物凝胶、非生物胶囊和脂质体中，以及注射入体内或固定在板上。另外可以采用能够维持载体新陈代谢的任何其它实体如脂双层。
2．信号转换元件
信号转换元件由选择性结合特异性物质的“胞外”部分和能激活转导物的“胞内”部分组成。典型的，信号转换元件是跨膜融合蛋白，该蛋白有胞外配体结合部分(如抗体)和在胞外部分与所选靶结合时被激活的胞内酶部分。因此，信号转换元件的目的是将对特异性物质(即配体)的识别和结合转变成胞内信号，从而激活转导物组件，然后转导物组件激活启动报道蛋白质表达的启动子。
配体结合结构域。可被本发明鉴定的物质包括，但不局限于，蛋白质、肽、糖类、脂肪酸、离子、微生物(包括细菌、病毒和逆转录病毒)。因此，配体结合结构域可以是抗体、抗体片段、细胞受体或其它任何与配体结合的蛋白(如葡萄球菌属蛋白A和G、巨噬细胞Fc受体)、碳水化合物或与离子结合的物质(如钠或钾通道的区域)。
在具体的实例中，配体结合结构域是抗体或其衍生物，其包括但不局限于多克隆抗体、单克隆抗体(mAbs)、人源化或嵌合抗体、单链抗体、Fab片段、F(ab＇)2片段、Fab表达文库生产的片段、抗独特型(anti-Id)抗体、和上述任一种的表位结合片段。尤其是，单克隆技术和最近在细菌细胞中表达功能性抗体的技术发展使得鉴定合适的用于所需靶的配体结合结构域更容易，适应能力更高。关于在细菌细胞中表达抗体的详细情况参见Collet等，1992,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.89:10026-10030，和Huse等，1989,Science 246:1275-1281。
而且，抗体编码区的来源不局限于从已知抗体特异性且抗体本身是单克隆的杂交瘤细胞系克隆得到的那些。但是，可用大的抗体文库来形成融合蛋白，这样就可制成大量用于检测无限范围的抗原的生物检测器。
信号转化结构域。信号转化结构域可以由有任何数量的蛋白质修饰功能的酶或酶的活性区域组成，这些功能包括磷酸化、去磷酸化、甲基化、乙酰化和蛋白酶活性。这些酶包括蛋白激酶、磷酸化酶、蛋白甲基化酶、乙酰化酶、蛋白酶、蛋白酶K、丝氨酸蛋白酶。在本专利申请的一个具体实例中，细菌磷酸化酶PhoQ的活性区域将融合入与抗体cDNA重链区域的基因融合物中。因此，表达的融合蛋白与靶抗原(配体)的相互作用会导致抗体-磷酸化酶融合物中发生构象改变，这会激活特异性磷酸化酶的活性，从而通过磷酸化/去磷酸化行为激活转导物PhoP。活性的PhoP激活用来启动报道基因操纵子lux表达的Pho启动子。信号转换元件的转导物激活区的特征是，当与特异性分子结合时，它的构象或电荷发生改变，从而激活了转导物。转导物可通过磷酸化、糖基化、甲基化电子转运、氢转运、羧基化、脱氢化、氧化/还原或其它任何化学修饰。
3．转导物
转导物在配体结合时被信号转换元件激活。转导物可以是任何能够识别和响应构象或电荷的变化、任何化学亚基团的增减(如磷酸化、糖基化)的分子，然后它能引发可检测的响应。
在本发明的具体实例中，转导物的激活直接或间接地引发了转录激活元件(如启动子)来实现报道基因或报道基因操纵子的激活。随后，报道基因或操纵子的转录和翻译形成了能产生可检测信号(如光)的基因产物。然而，在另一个实例中，转导物的激活可以直接形成可见的和可测定的信号。
4．报道基因和操纵子
可采用各种报道基因或报道基因操纵子，包括会形成生物荧光、比色反应或荧光的那些。例如，报道基因可以编码颜料(Bonhoeffer,1995,Arzneimittelforschung45:351-356)如细菌视紫素(Ng等，1995,Biochemistry 34:879-890)、黑色素(Vitkin等，1994,Photochemisrty and Photobiology 59:455-462)、aquorins(分子探针，Seattle)、绿色荧光蛋白(GFP,Clonetech,Palo Alto；Chalfie等，1994,Science263:802-805；Cubitt等，1995,TIBS 20:448-455)、黄色荧光蛋白(Daubner等，1987,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.84:8912-8916)、黄素、bioflavinoid、血红蛋白(Chance等，1995,Analytical Biochemistry 227:351-362；Shen等，1993,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.908108-8122)、血红素(Pieulle等，1996,Biochem.Biophys.Acta 1273:51-61)、靛蓝染料(Murdock等，1993,Biotechnology 11:381-386)、多甲藻黄素叶绿素-a蛋白(PCP)(Ogata等，1994,FEBS Letters,356:367-371)或绿脓素(al-ShibibKandela,1993,Acta Microbiologica Polonica 42:275-280)。或者，报道基因可以编码切割颜色吸收底物的酶如β-内酰胺酶、使荧光蛋白发光的酶、有荧光底物的酶、或其它任何编码有光活性化学物质或将底物转变成有光活性化合物的基因。在还有一个实例中，报道基因可编码光蛋白(photoprotein)。在每一例中，报道基因与被活性形式转导组件激活的可诱导启动子在作用过程中相互关联。
在本发明的一个具体实例中，采用了生物发光报道基因。
以生物发光为基础的报道基因和操纵子。几种生物发光报道基因是已知的，有机体包括萤光素酶族(如Wood等，1989,Science 244:700-702)。在各种原核和真核中已经鉴定出萤光素酶族的成员。原核生物发光(lux)体系中和相应的lux基因中包括的萤光素酶和其它酶已经从海生细菌(弧菌属和发光细菌属)和陆生细菌(Xenorhabdus属，也称为photorhalodus属)中分离获得。
含有萤光素酶(luc)的典型的真核生物是北美火萤Photinus pyralis。已经对火萤的萤光素酶进行了广泛的研究，并将其广泛地用于ATP测定。从另一类叩头虫Pyrophorus plagiophthalamus获得的cDNA编码的萤光素酶已经被克隆和表达(如Wood等，1989,Science 244:700-702)。这种虫是不寻常的，种类的不同成员发出不同颜色的生物发光。分离得到了四类克隆，每类间有95-99％的同源性。它们发生的光在546纳米(绿色)、560纳米(黄绿色)、578纳米(黄色)和593纳米(桔黄色)。
萤光素酶需要能量来源(如ATP、NAD(P)H等)，底物(如萤光素、decanal(细菌酶)或coelentrizine)和氧。
为了使其发光，必须将底物萤光素提供给萤光素酶。这样提供萤光素的便利的方法是表达萤光素酶和合成底物decanal的生物合成酶。然后氧是在细菌中从Lux操纵子表达这些蛋白质来生物发光的唯一的外部需求。
例如，从土壤细菌Xenorhabdus luminescence获得的lux操纵子(Frackman等，1990,J.Bact.172:5767-5773)可用作报道基因操纵子，因为它通过表达异源二聚体萤光素酶的两个亚单位和三种辅助蛋白质使转化后的大肠杆菌具有发射光子的能力(Frachman等，同上)。
发现在37℃下表达X.luminescence的lux基因的大肠杆菌有最优的生物发光(Szittner和Meighen,1990,J.Biol.Chem.265:16581-16587；Xi等，1991,J.Bact.173:1399-1405)，这与来自真核生物和其它原核发光生物的萤光素酶在低温下最优的情况相反(Campbell,1988,Chemiluminescence,Principles and Applications inBiology and Medicine(Chichester,England:Ellis Horwood Ltd.和VCHVerlagsgesellschaft mbH))。因此，可根据具体应用的特点和要求来选择报道基因操纵子。例如来自X.luminescence的萤光素酶非常适于用作在动物中的研究用标记。
萤光素酶载体构建物适用于转化入各种宿主细胞中，包括大多数细菌和许多真核细胞。另外，某些病毒(如疱疹病毒和牛痘病毒)可用基因工程的方法来表达萤光素酶。例如，Kovacs和Mettenlieter,1991,J.Gen.Virol.72:2999-3008描述了编码疱疹病毒的火萤的基因的稳定表达。Brasier和Ron,1992,Meth.in Enzymol.216:386-396描述了在哺乳动物细胞中使用萤光素酶基因构建物。已经用CCD图象对培育中的哺乳动物细胞的萤光素酶表达进行了宏观研究(Israel和Honigman,1991,Gene 104:139-145)和微观研究(Hooper等，1990,J.Biolum.and Chemilum.5:123-130)。
C．发光生物检测器的成像
发光生物检测器可以多种方式成像。下面描述了这些成像的思路和具体的实施例。
1．光电探测器装置
在本发明的一个实施例(在该例中，生物检测器产生的信号是光)中，一个重要的方面是选择灵敏度足够高的光电探测器装置，以对暗淡的光成像。而且，当生物检测器用于活物体时，成像必须在适当的时间内，最好在小于约30分钟内，并用来自该装置的信号构成图象。
在可以采用非常亮的发光物和/或检测位于待成像物体或动物表面附近的发光共轭物(conjugate)的情况中，可采用一对“夜视”护目镜或标准的高灵敏度电视摄像机，如硅增强管(SIT)相机(如Hamamatsu Photonic Systems,Bridgewater,NJ)。然而，更一般地，需要用更灵敏的光检测方法。
在非常低的光强下，如本发明实践中遇到的那些情况，每单位面积的光子通量低得使成像景象不再表现出连续性。相反，它由时间和空间上互不相同的单个光子表示。从监视器上看，这种图象作为闪烁的光点出现，每个光点表示单个检测得的光子。
通过经历时间在数字图象处理器中积累这些检测到的光子，就可获得并构成图象。或者，可以对闪烁点计数，用数字方式记录，避免了图象的重建步骤，从而加速了分析。对每一图象点的信号指定一个强度数值的与常规相机相反，在光子计数成像中信号的幅度没有显著性。目的只是检测信号(光子)的存在和相对于信号发生的位置经历一段时间对信号的发生计数。
下述至少两类光电探测器装置可检测个别的光子并产生可被图象处理器分析的信号。
噪声较低的光电探测器装置。与放大光子信号相反，第一类装置是通过减少光子检测器中的背景噪声来获得灵敏度。主要通过冷却检测器阵列可以减少噪声。装置包括电荷耦合器件(CCD)相机，它称为“背薄式(backthinned)”冷却的CCD相机。在更灵敏的仪器中，冷却通过用例如液氮来实现，它使CCD阵列的温度降低至约-120℃。“背薄式”指超薄的背板，它减少了光子被检测的通道长度，从而提高了量子效率。特别灵敏的背薄式低温CCD相机是“TECH 512”，它是一种购自Photometrics,Ltd.的200系列相机。(Tucson,AZ)。
光子放大装置。第二类灵敏的光电探测器包括在光子撞击检测器屏幕前将光子放大的装置。这类装置包括带有增强器(如微通道增强器)的CCD相机。微通道增强器一般含有垂直于相机的检测屏幕并与其共同伸展的金属通道阵列。微通道阵列放在待成像的样品、对象或动物和相机之间。进入通道阵列的大多数光子在离开前与通道的侧面接触。跨过阵列施加之电压，使得每次光子碰撞释放许多电子。由这样的碰撞产生的电子以“猎枪(shotgun)”方式离开它们的原始通道并被相机检测。
通过串联放置增强式通道阵列，就可获得更高的灵敏度，这样在第一级产生的电子会在第二级处产生放大的电子信号。然而，灵敏度增加的实现是以空间分辨率为代价的，空间分辨率随着每个添加的放大级而降低。
适用于本发明实践的一个典型的基于微通道增强器的单光子检测装置是购自Hamamatsu的C2400系列。
图象处理器。对光子进行计数的光电探测器装置产生的信号需要用图象处理器来处理，从而构造例如能够显示在监视器上或打印在图象印刷机上的图象。这样的图象处理器通常是作为系统的一部分出售的，该系统包括上述灵敏的光子计数相机，因此其可从相同来源(例如Photometrics,Ltd.,和Hamamatsu)处购得。也可用购自其它厂家的图象处理器，但是实现功能性系统一般需要花更大的精力。
图象处理器通常与个人计算机相连，如IBM兼容型PC或Apple Macintosh(Apple Computer,Cupertino,CA)，它们可以作为或不作为购得的图象系统的一部分。一旦图象是数字文件形式，它们就可用各种图象处理程序(如“ADOBEPHOTOSHOP”,Adobe Systems,Mountain View,CA)来处理并打印。
2．光子发射图象的构建
当由于非常亮的发光物和/或位于对象的表面附近的发光共轭物而采用一对“夜视”护目镜或高灵敏度的电视摄像机来获得图象时，图象可以简单地观看或在电视监视器上显示。如果需要，来自电视摄像机的信号可通过图象处理器转移，该图象处理器可将各别的电视图象帧存储在存储器中以进行分析或打印，和/或将图象数字化以便在计算机上进行分析和打印。
或者，如果采用光子计数方法，光子发射的测量结果在图象处理器中产生了表示在每一像素位置测得的光子数目的数目阵列，一般通过将光子计数归一化(对固定的预定值归一或对在任何像素中测得的最大数目归一)，并将归一化数目转化成显示在监视器上的亮度(灰度标)或颜色(伪彩色)，来将这些数目形成图象。在伪彩色表示中，典型的颜色分源如下。零光子计数的像素定为黑色，计数低的为蓝色，随计数的增加颜色的波长增加，光子计数最高的定为红色。监视器上颜色的位置表示光子发射的分布，因此代表了发光共轭物的位置。
为了给共轭物提供参照框架，通常对进行光子发射测量的物体(仍是固定化的)构造灰度标图象。该图象例如可这样构造，在暗淡的室内光下打开成像室(chamber)或盒子的门，并测定反射的光子(一般为测量光子发射所需时间的一部分)。可在测定光子发射前后构造灰度标图象。
光子发射的图象通常重叠在灰度标图象上以形成关于该物体的光子发射组合图象。
如果需要经历一段时间跟踪定位和/或来自发光共轭物的信号，例如记录处理对所选生物相容物质的分布和/或定位的影响，则光子发射的测定或成像可以在选定的时间间隔处重复，从而形成一系列的图象。间隔可以短至皮秒(在快门式(fastgated)相机中)或秒，至天或周(用积分式(integrating)相机)。
D．应用
生物检测器的具体应用包括疾病诊断、临床相关物质的检测、环境污染物的检测、食品污染物的检测。另外本发明的生物检测器在基础研究和开发方面应用广泛。
传染性疾病的诊断。生物检测器可用来检测体液(包括血液或尿液)或组织和其它流体中的抗原。合适的靶抗原包括但不局限于，细菌抗原、病毒病原体、真菌病原体、血清蛋白、淋巴因子、细胞因子、细胞毒素、干扰素、β-2微球蛋白、免疫球蛋白、肽和多肽。
具体的以细菌抗原为目标的诊断测试可以包括，但不局限于，淋巴疾病、链球菌属、沙门氏菌属、结核病、葡萄球菌属、假单胞菌属、螺旋细菌属(helicobactor)、李斯特氏菌属、志贺氏菌属、变形杆菌属、肠道球菌属、梭状芽胞杆菌属、博德特氏菌属、巴尔同氏体属、立克次氏体属、衣原体属、螺旋体属的诊断。以病毒病原体为目标的诊断测试可以包括，但不局限于，对逆转录病毒(如HIV-1、HTLV-1)、肝炎病毒(HBV、HCV、HAV)、疱疹病毒(包括EBV、CMV、Ⅰ型单纯性疱疹(herpes simplex Ⅰ)、Ⅱ型单纯疮疹(herpes simplex Ⅱ)和HHV-6)、脑炎(包括日本脑炎病毒、Eastern和Western脑炎病毒)、轮状病毒、所有已知但是待鉴定的人和动物病毒病原体和非常规因素(如与阿尔茨海默病和Crutzfeld-Jacob疯羊病(Prions)有关的因素)的检测。真菌病原体靶可以包括，但不局限于，隐球菌属、组织胞浆菌属、球孢子菌属、念珠菌属、贾第虫病(giardia)。
其它临床相关物质的检测。生物检测器的应用可以包括临床相关物质(如体液如血液或尿液或组织中的糖分子、脂肪酸、蛋白质或微生物)的检测。靶抗原可以包括指示正常器官功能的酶(包括乳酸脱氢酶)、脲、葡萄糖和其它小分子和细胞因子。α胎蛋白可用来作为spinobifida诊断的靶。将某些种类细菌或其它微生物作为靶可测定它们在混合种群如胃肠和阴道菌丛中的分布。一个重要的诊断靶是诊断和预测一些方面的疾病的淋巴因子。用目前的方法不容易测得淋巴因子像，然而，可以预计其测定结果可以说明大量有关疾病和病情关系的未知的方面。而且，医学上的重要应用是遗传疾病(包括膀胱纤维变形、镰刀型贫血症、唐氏综合征、苯丙酮尿症、ADA缺陷、thallassemias、生长激素缺陷、癌症素因)的早期、围产期诊断。最后，生物检测器可用于实时监控例如葡萄糖水平和药物水平。
农业和兽医上的应用。所有上述医学应用适用于兽医学。
环境污染物的检测。例如，生物检测器可用来检测供水中的污染物。所选的靶可以包括，但不局限于，贾第虫属、隐球菌属、军团杆菌属、梭菌毒素、肠杆菌属、大肠杆菌、原生动物、重金属。而且，用生物检测器可以测得某些土壤种群中的细菌的存在；可筛选土壤来示踪释放入环境中的基因工程生物。
食品污染物的检测。生物检测器可用来鉴定食品中的污染物，其包括(但不局限于)细菌，如沙门氏菌属、大肠杆菌类、葡萄球菌属、梭状杆菌属和真菌。
基础研究和开发。生物检测器可用于许多基础研究和开发应用。实例包括标准免疫测定法(如Western印迹法、ELISA、淋巴细胞曲线的测定、细胞培养物污染(包括支原体)的检测)中的检测系统。另外，生物检测器可用作表达测定中的检测系统，来检测细胞表面标记如CD4、CD8、粘附物(adhereins)。
非生物的生物检测器。在某些应用中，当抗原性(即体内使用)是所注意的问题时，需要非生物的生物检测器。实例包括体内检测和定位感染、组织损伤和其它病理。将生物检测器结构包裹在通常惰性的泡囊双层或膜或其它任何无生命且可维持载体新陈代谢的实体(如脂质体)中，使得与配体的接触会产生光，这种系统就可用作体内使用。
下列实施例更详细地解释了本发明。给出下列制备方法和实施例，以使本领域技术人员能更清楚地理解和实时本发明。然而，本发明并不局限于列举实例的范围，这些实例只能被认为用来描述本发明的一个方面，而在功能上等价的方法也应在本发明范围内。实际上，除了本文描述的那些外，本领域技术人员很容易根据前述描述和附图来作各种改动。这些改动均应认为在附加权利要求范围内。
实施例
首先三个实施例是用来使信号转导与特异性基因的表达相关联的三种方法。
A．实施例1：信号转导和特异性基因调节的关联(方法1)
下列实施例描述了已知可用来关联信号转导和特异性基因调节的方法。
构建一个转座子来鉴定被配体与表面表达的配体结合分子(如抗原)的结合激活的启动子。采用无启动子的报道系统来鉴定细菌中各种调节序列。Ronald等，1990,Gene 90:145-148。转座子包括(ⅰ)(1)含有生物发光蛋白的基因的无启动子的操纵子，(2)选择性标记(卡那霉素抗性基因；Kan)，和(3)负调节蛋白(λ阻遏物)；(ⅱ)λ操纵子表达的附加选择标记物(氯霉素抗性基因；Chl)；和(ⅲ)第三个组成型表达的选择标记(氨苄青霉素抗性基因；Amp)。将转座子转化入表达感兴趣抗体的细菌细胞中。跨膜融合蛋白中的构象改变为转导物的激活或化学修饰发出信号，而转导物用来将该信息传递到lux构建物的启动子区域。通过测定Amp抗性来选出阳性转化子。含有在抗原存在下为活性(包括组成型表达)的启动子后的转座子的细胞在抗原存在下有Kan抗性，而含有在没有抗原下无活性的启动子后的转座子的细胞在没有抗原下有Chl抗性。因此，通过一系列生长条件传代，就可鉴定出能响应抗原合适表达的所需转化子。然后可确定启动子并用来构建附加的生物检测器。
图4显示了如实施例1所述产生的生物检测器。如图4A所示，在抗原不存在时，融合蛋白不会将信号转导给能启动克隆入的整合转座子编码的基因表达的启动子。因此，在没有抗原时，设计的大肠杆菌的表型是有氨苄青霉素抗性、有氯霉素抗性、对卡那霉素敏感且没有生物发光。使氨苄青霉素抗性组成性表达，以维持对整合入的转座子的选择。
然而，当启动子与激活的转导物(转导物被配体与融合蛋白的结合激活)结合而启动后，就表达出萤光素酶操纵子、卡那霉素抗性基因和λ阻遏物。λ阻遏物作用于λ操纵子上，从而阻抑了氯霉素抗性基因的表达。因此，在抗原存在下，细胞的表型特点是有氨苄青霉素抗性、卡那霉素抗性、对氯霉素敏感和生物发光。
因此，上述的基因诱导和激活允许能对所需的抗原响应进行正选择。更具体地只有那些在基因组中合适位点上整合入所述转座子的细菌细胞才能在选择步骤中存活，而不响应的细菌则死亡。
B．实施例2：信号转导和特异性基因调控的关联(方法2)
下列实施例描述了第二种用来关联信号转导和特异性基因调控的方法。
融合蛋白由抗体重链、已知用来转导基因调控信号的表面蛋白(surfaceprotein)、和受该信号作用的启动子组成，将该融合蛋白放在标记基因前。使抗体轻链在生物检测器中共表达，以提供附加的配体特异性(Borrebaeck等，1992,Biotechnology 10:697-698)。鉴于细菌磷酸酶目前在鉴定细菌表面表达的融合蛋白中的应用(Kohl等，1990,Nucleic Acids Res.18:1069；Weiss和Orfanoudakis,1994；J.Biotechnol.33:43-53)以及能用比色底物来测定磷酸酶活性，选择细菌磷酸酶作为基因融合物的最初跨膜和信号转导组件。获得的抗体片段-磷酸酶融合物既保留了配体结合特异性和又保留了磷酸酶活性(Kohl等，1991,Acad.Sci.646:106-114；Wels等，1992,Biotechnology 10:1128-1132)。已经用磷酸酶-抗体融合物来制成有标记的抗体用于免疫测定(Carrier等，1995,J.Immunol.Mehtods 181:177-186；Ducancel等，1993,Biotechnology 11:601-605；Weiss等，1994,J.Biotechnol.33:43-53；Weiss和Orfanoudakis,1994,J.Biotechnol.33:43-53；Wels等，1992,Biotechnology 10:1128-1132)。此外，抗体对于修饰的细菌磷酸酶表现出能改变磷酸酶的功能(Brennan等，1995,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.92:5783-5787)，这表明蛋白-蛋白之间的相互作用能调节磷酸酶的活性，这很可能是通过磷酸酶分子中的构象改变来实现的。磷酸酶融合蛋白在细菌细胞表面上的表达将磷酸化信号转导入细胞从而诱导特异性基因的表达。可对体系进行修饰，以使标记蛋白、萤光素酶和及其辅助蛋白的表达与配体和抗体磷酸酶融合蛋白(即配体依赖型分子开关)的结合紧密相关。
C．实施例3：信号转导和特异性基因调控的关联(方法3)
下列实施例描述第三种用来关联信号转导和特异性基因调控的方法。
通过在表达磷酸酶-抗体融合物的细胞中采用上述转座子，可将实施例1和2的方法结合起来。
建立一个细菌菌株，该菌株中的报道基因与可诱导的启动子相连，该启动子能特异性地响应转导物分子的激活，例如pho操纵子的启动子。然后可将克隆入载体(载体会使抗体与pho膜蛋白融合)的所有抗体文库放入上述细菌菌株中。然后用该生物检测器文库对待检测特异性分子进行测试，并选出合适的生物检测器。然后就可大量繁殖获得的生物检测器。
D．实施例4：溶液中物质的检测
下面是检测溶液中(如全血和血浆中)配体(包括病毒和细菌抗原)的描述性测定方法。
将含有待检测和定量的配体的样品和对照标准品一同稀释入(连续稀释两倍)96孔板中。将特异性生物检测器以活细胞形式加入每个孔中，并立即分析。用电荷耦合装置(CCD相机)或96孔格式的光亮度计检测板上的生物发光信号。在标准曲线上绘制未知样品相应的生物发光，以进行定量。
E．实施例5：固体载体上的底物的检测
下面是检测固体载体(如硝酸纤维素膜或尼龙膜)上的底物的描述性测定方法，例如在Western印迹法分析中采用特异性生物检测器。
在用标准方法将蛋白质转移到固体载体(PVDF Immobilon膜，Millipore)上后，将膜干燥并转移至含有生物活性细胞形式的特异性生物检测器的盘中，置于含有细菌新陈代谢所需营养的基本培养基或其它透明的缓冲液中。在室温下培育30分钟后，将膜取出，在湿的状态下密封在拉链锁或热封合塑料袋中。用X射线、CCD检测器或其它光敏检测方法检测粘在膜上的生物检测器发出的生物发光信号。用标准的图象分析软件可对信号进行定量。
F．实施例6：人血对生物发光的沙门氏菌属发出的光的影响
下面的实施例表明，用增辉的CCD检测器可以检测到少于10个细菌细胞。
将连续稀释2倍的沙门氏菌属菌株LB5000一式两份放在96孔板中，菌株中已经转化有提供萤光素酶操纵子组成型表达的质粒。单用30μl生长培养基(称为LB5000)和30μl用血液来进行稀释，以测定血液作为散射和吸收介质对于检测极限的影响。图5中显示了板样品从浓的孔眼起每一稀释度和菌落形成单位(CFU)的数目。图(图5)中显示了通过CCD检测器对产生图象分析测得的每个孔相应的生物发光数。在浓度最大的孔中信号在范围外，因此数目在较高的浓度下并不呈线性。
所有对比文献均结合入本文作参考。

Claims (20)

1．一种用于检测所选物质的生物检测器，其包括：
(a)信号转换元件，它包括胞外配体特异性部分和胞内信号转化结构域，其中所述胞外配体特异性部分选择性识别所述所选物质，该识别激活所述胞内信号转化结构域；
(b)转导物，这里所述转导物有互不相同的无活性和有活性的形式，且这里所述激活的胞内信号转化结构域将所述转导物的所述无活性形式转变成所述转导物的所述活性形式；和
(c)效应元件，其中所述效应元件被所述转导物的所述活性形式激活，从而产生一个可检测信号。
2．根据权利要求1所述的生物检测器，其中所述效应元件包含一个被所述转导物的所述活性形式激活的转录激活元件。
3．根据权利要求2所述的生物检测器，其中所述效应元件还包括编码一个或多个能产生所述可检测信号的基因产物的核酸，其中所述核酸与所述转录激活元件在作用过程中相互关联。
4．根据权利要求3所述的生物检测器，其中所述可检测信号是光。
5．根据权利要求3所述的生物检测器，其中所述基因产物能以选自生物发光、比色反应或荧光的方式被检测。
6．根据权利要求3所述的生物检测器，其中所述核酸包含一个萤光素酶操纵子。
7．根据权利要求6所述的生物检测器，其中所述胞内信号转化元件是膜信号转导物。
8．根据权利要求7所述的生物检测器，其中所述膜信号转导物选自细菌的两组分调节系统、真核受体-介导的信号转导物、原核受体-介导的信号转导物。
9．根据权利要求6所述的生物检测器，其中所述物质选自微生物、病毒、逆转录病毒、蛋白质、糖和离子。
10．一种检测所选物质的方法，方法包括：
(a)制成生物检测器，它包括：
(ⅰ)信号转换元件，它包括胞外配体特异性部分和胞内信号转化结构域，其中所述胞外配体特异性部分选择性识别所述所选物质，该识别激活所述胞内信号转化结构域；
(ⅱ)转导物，其中所述转导物有互不相同的无活性和活性形式，且这里所述激活的胞内信号转化结构域将所述转导物的所述无活性形式转变成所述转导物的所述活性形式；和
(ⅲ)效应元件，其中所述效应元件被所述转导物的所述活性形式激活，从而产生一个可检测信号；
(b)将所述生物检测器加入样品中；
(c)测定并定量所述可检测信号；和
(d)将所述可检测信号的水平与所述物质的存在及其数量进行相关。
11．根据权利要求10所述的方法，其中所述生物检测器的所述效应元件包含被所述转导物的所述活性形式激活的转录激活元件。
12．根据权利要求10所述的方法，其中所述效应元件还包括编码一个或多个产生所述可检测信号的基因产物的核酸，其中所述核酸与所述转录激活元件在作用过程中相互关联。
13．根据权利要求12所述的方法，其中所述可检测信号是光。
14．根据权利要求12所述的方法，其中所述基因产物能以选自生物发光、比色反应或荧光的方式被检测。
15．根据权利要求12所述的方法，其中所述核酸包含一个萤光素酶操纵子。
16．根据权利要求10所述的方法，其中所述物质选自微生物、病毒、逆转录病毒、蛋白质、糖和离子。
17．根据权利要求13所述的方法，其中所述可检测信号用光检测系统来检测。
18．根据权利要求17所述的方法，其中所述光检测系统选自光亮度计、分光光度计、荧光光度计、CCD检测器。
19．根据权利要求18所述的方法，其中生物检测器或样品固定在固体载体上。
20．根据权利要求19所述的方法，其中还包括将一系列生物检测器以有序的排列固定在固定载体，这样就可测定样品内的各类物质。
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