馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的科學(xué)家最近宣布發(fā)明了一種納米線，比人類頭發(fā)細(xì)10，000倍，可以通過普通細(xì)菌廉價(jià)生長，并且可以調(diào)整為“聞”大量化學(xué)示蹤劑 - 包括患有不同疾病的人釋放的那些，如哮喘和腎臟疾病。

數(shù)以千計(jì)的這種經(jīng)過特殊調(diào)諧的電線，每根都嗅出不同的化學(xué)物質(zhì)，可以分層到微小的可穿戴傳感器上，為醫(yī)療保健提供者提供監(jiān)測(cè)潛在健康并發(fā)癥的前所未有的工具。由于這些電線是由細(xì)菌生長的，它們是有機(jī)的，可生物降解的，并且比任何無機(jī)納米線都更環(huán)保。

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為了取得這些在《生物傳感器和生物電學(xué)》雜志上詳細(xì)介紹的突破，資深作者、麻省大學(xué)阿默斯特分校微生物學(xué)杰出教授德里克·洛夫利(Derek Lovley)和麻省大學(xué)阿默斯特分校工程學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程教授姚軍(Jun Yao)只需要看看自己的鼻子。

“人類的鼻子有數(shù)百個(gè)受體，每個(gè)受體對(duì)一個(gè)特定的分子敏感，”姚說。“它們比任何可以設(shè)計(jì)的機(jī)械或化學(xué)設(shè)備都更加敏感和高效。我們想知道如何利用生物設(shè)計(jì)本身，而不是依賴合成材料。

換句話說，研究小組想知道他們是否可以與大自然合作來嗅出疾病 - 事實(shí)證明他們已經(jīng)做到了。

答案始于一種稱為Geobacter sulreducens的細(xì)菌，Lovley和Yao以前用它來制造一種生物膜，能夠從你的汗液中產(chǎn)生長期，連續(xù)的電力。G. sulreducens"具有令人驚訝的天然能力，可以生長微小的導(dǎo)電納米線。

但是G. sulreducens是一種挑剔的細(xì)菌，需要特定的生長條件，因此難以大規(guī)模使用。“我們所做的，”洛夫利說，“是從G. sulreducens中取出"納米線基因"(稱為pilin)，并將其拼接到大腸桿菌的DNA中，大腸桿菌是世界上分布最廣泛的細(xì)菌之一。

一旦從G. sulreducens中去除了pilin基因，Lovley，Yao和團(tuán)隊(duì)對(duì)其進(jìn)行了修改，使其包含一種稱為DLESFL的特定肽，該肽對(duì)氨非常敏感 - 一種經(jīng)常存在于腎臟疾病患者呼吸中的化學(xué)物質(zhì)。當(dāng)他們將修飾的皮林基因拼接到大腸桿菌的DNA中時(shí)，經(jīng)過基因調(diào)整的細(xì)菌會(huì)萌發(fā)出帶有氨感應(yīng)肽的微小納米線。然后，該團(tuán)隊(duì)收集了這些對(duì)氨敏感的納米線，并將它們構(gòu)建到傳感器中。

“對(duì)納米線進(jìn)行基因改造使它們對(duì)氨的反應(yīng)比原來高100倍，”該論文的共同主要作者，麻省大學(xué)阿默斯特分校微生物學(xué)博士后研究員Yassir Lekbach說?！拔⑸锷a(chǎn)的納米線作為傳感器的功能比以前描述的用傳統(tǒng)硅或金屬納米線制造的傳感器要好得多。

而且沒有必要將這些新傳感器限制在氨和腎臟疾病上。該論文的另一位共同主要作者、麻省大學(xué)阿默斯特分校微生物學(xué)研究教授Toshiyuki Ueki說：“設(shè)計(jì)獨(dú)特的肽是可能的，每種肽都特異性地結(jié)合感興趣的分子。因此，隨著更多由身體發(fā)射的示蹤分子被識(shí)別出來，這些分子特定于特定疾病，我們可以制造包含數(shù)百種不同化學(xué)嗅探納米線的傳感器，以監(jiān)測(cè)各種健康狀況。

電氣工程的新范式

由硅或碳纖維制成的傳統(tǒng)納米線可能具有劇毒 - 碳納米管本身就是致癌物 - 并最終成為不可生物降解的電子廢物。他們的原材料可能需要大量的能源和化學(xué)投入來收獲和加工，并留下深刻的環(huán)境影響。但是由于Lovley和Yao的納米線是從普通細(xì)菌中生長出來的，因此它們的可持續(xù)性要強(qiáng)得多。

“關(guān)于這一領(lǐng)域的研究，最令人興奮的事情之一是，”姚說，“我們正在將電氣工程推向一個(gè)全新的方向。這些蛋白質(zhì)納米線的美妙之處在于，你可以利用生命的基因設(shè)計(jì)來建立一個(gè)穩(wěn)定、多功能、低影響和具有成本效益的平臺(tái)，而不是由不會(huì)生物降解的稀缺原材料制成的電線。

關(guān)鍵詞： 大腸桿菌 微生物學(xué) 腎臟疾病 生物降解的