基于微生物納米線的電子鼻有望變革健康監(jiān)測

據(jù)麥姆斯咨詢報道，馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校（UMass Amherst）的科學(xué)家近日報道了一種新型納米線，其比人類頭發(fā)絲細(xì)10000倍，可以利用普通的細(xì)菌廉價地生長而成，更重要的是，可經(jīng)過調(diào)諧而“嗅出”很多化學(xué)示蹤劑，包括哮喘和腎病等不同疾病患者發(fā)出的化學(xué)示蹤劑。

數(shù)以千計的這種經(jīng)過特殊調(diào)諧的納米線，每根都能嗅出不同的化學(xué)物質(zhì)。它們可以層疊集成在微型可穿戴傳感器上，從而為醫(yī)療保健應(yīng)用提供一種前所未有的監(jiān)測潛在并發(fā)癥的“電子鼻”。由于這些納米線是由細(xì)菌生長的，因此它們是有機(jī)、可生物降解的，比所有的無機(jī)納米線都更加環(huán)保。

這項研究成果已發(fā)表于Biosensors and Bioelectrics期刊。為了實(shí)現(xiàn)這一突破，論文通訊作者、馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校微生物學(xué)杰出教授Derek Lovley和工程學(xué)院電氣與計算機(jī)工程教授Jun Yao從人類自己的鼻子獲得了靈感。Yao說：“人類鼻子有數(shù)百個受體，每個受體對一種特定分子敏感。其比所有經(jīng)過設(shè)計的機(jī)械或化學(xué)傳感器都要靈敏且高效得多。我們想知道如何利用生物本身進(jìn)行設(shè)計，而不是依賴合成材料。”

換言之，該研究小組想知道他們是否可以與大自然合作來嗅出疾病，然后他們確實(shí)做到了這一點(diǎn)。

答案源自一種被稱為硫還原地桿菌（Geobacter sulfurreducens）的細(xì)菌，Lovley和Yao之前利用這種細(xì)菌制造了一種生物膜，能夠從汗液中產(chǎn)生長期、持續(xù)的電能。硫還原地桿菌具有驚人的天然能力——能夠生長微小的導(dǎo)電納米線。

微生物納米線傳感器制造和評估示意圖

但是，硫還原地桿菌是一種需要特定條件才能生長的苛刻細(xì)菌，因此難以大規(guī)模使用。Lovley說，“我們所做的，是從硫還原地桿菌中提取‘納米線基因’，稱為菌毛蛋白（pilin），然后將其拼接到大腸桿菌的DNA中，大腸桿菌是世界上分布最廣的細(xì)菌之一?！?/p>

從硫還原地桿菌中提取菌毛蛋白基因之后，Lovley、Yao及其團(tuán)隊對其進(jìn)行了修飾，使其包含一種特定的肽，稱為DLESFL，它對氨極為敏感（氨是一種經(jīng)常存在于腎病患者呼吸中的化學(xué)物質(zhì)）。然后，當(dāng)他們將經(jīng)過修飾的菌毛蛋白基因拼接到大腸桿菌的DNA中時，這種經(jīng)過基因修飾的細(xì)菌就長出了布滿氨敏感肽的微小納米線。然后，該團(tuán)隊收集了這些對氨敏感的納米線，并將其構(gòu)建成傳感器。

“對這種納米線進(jìn)行基因修飾，使其對氨的響應(yīng)提高100倍?！痹撜撐墓餐蛔?、微生物學(xué)博士后Yassir Lekbach說，“這種由微生物生產(chǎn)的納米線，作為傳感器的功能，優(yōu)于傳統(tǒng)利用硅或金屬納米線制造的傳感器。”

而且，這些新型傳感器的應(yīng)用不僅限于氨和腎臟疾病。該論文另一位共同作者、微生物學(xué)研究教授Toshiyuki Ueki說，“我們可以設(shè)計出獨(dú)特的肽，每一種都能特異性地結(jié)合感興趣的分子。因此，隨著更多由于特定疾病釋放的示蹤分子被識別出來，我們可以將數(shù)百種不同化學(xué)嗅探納米線結(jié)合起來，做成一種電子鼻來監(jiān)測各種健康狀況?！?/p>

電氣工程新范式

由硅或碳纖維制成的傳統(tǒng)納米線可能具有很高的毒性。碳納米管本身就是致癌物，最終成為不可生物降解的電子垃圾。其原材料可能需要投入大量的能源和化工材料才能收獲并加工，同時對環(huán)境造成嚴(yán)重影響。但Lovley和Yao發(fā)明的這種納米線是由普通細(xì)菌生長而成的，因此它們的可持續(xù)性要高得多。

Yao表示：“這一研究最令人興奮的是，我們將電氣工程推向了一個全新的方向。這些蛋白質(zhì)納米線的美妙之處在于，我們可以利用生物基因設(shè)計來構(gòu)建一種穩(wěn)定、多功能、低影響、高性價比的平臺，而不是用稀缺原材料制成的無法生物降解的納米線?！?/p>

審核編輯：劉清