基于微生物纳米线的“电子鼻”,有望彻底变革健康监测

原创 MEMS 2023-03-07 00:00

据麦姆斯咨询报道,马萨诸塞大学阿默斯特分校(UMass Amherst)的科学家近日报道了一种新型纳米线,其比人类头发丝细10000倍,可以利用普通的细菌廉价地生长而成,更重要的是,可经过调谐而“嗅出”很多化学示踪剂,包括哮喘和肾病等不同疾病患者发出的化学示踪剂。数以千计的这种经过特殊调谐的纳米线,每根都能嗅出不同的化学物质。它们可以层叠集成在微型可穿戴传感器上,从而为医疗保健应用提供一种前所未有的监测潜在并发症的“电子鼻”。由于这些纳米线是由细菌生长的,因此它们是有机、可生物降解的,比所有的无机纳米线都更加环保。

这项研究成果已发表于Biosensors and Bioelectrics期刊。为了实现这一突破,论文通讯作者、马萨诸塞大学阿默斯特分校微生物学杰出教授Derek Lovley和工程学院电气与计算机工程教授Jun Yao从人类自己的鼻子获得了灵感。Yao说:“人类鼻子有数百个受体,每个受体对一种特定分子敏感。其比所有经过设计的机械或化学传感器都要灵敏且高效得多。我们想知道如何利用生物本身进行设计,而不是依赖合成材料。”

换言之,该研究小组想知道他们是否可以与大自然合作来嗅出疾病,然后他们确实做到了这一点。

答案源自一种被称为硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)的细菌,Lovley和Yao之前利用这种细菌制造了一种生物膜,能够从汗液中产生长期、持续的电能。硫还原地杆菌具有惊人的天然能力——能够生长微小的导电纳米线。


微生物纳米线传感器制造和评估示意图

但是,硫还原地杆菌是一种需要特定条件才能生长的苛刻细菌,因此难以大规模使用。Lovley说,“我们所做的,是从硫还原地杆菌中提取‘纳米线基因’,称为菌毛蛋白(pilin),然后将其拼接到大肠杆菌的DNA中,大肠杆菌是世界上分布最广的细菌之一。”

从硫还原地杆菌中提取菌毛蛋白基因之后,Lovley、Yao及其团队对其进行了修饰,使其包含一种特定的肽,称为DLESFL,它对氨极为敏感(氨是一种经常存在于肾病患者呼吸中的化学物质)。然后,当他们将经过修饰的菌毛蛋白基因拼接到大肠杆菌的DNA中时,这种经过基因修饰的细菌就长出了布满氨敏感肽的微小纳米线。然后,该团队收集了这些对氨敏感的纳米线,并将其构建成传感器。

“对这种纳米线进行基因修饰,使其对氨的响应提高100倍。”该论文共同一作、微生物学博士后Yassir Lekbach说,“这种由微生物生产的纳米线,作为传感器的功能,优于传统利用硅或金属纳米线制造的传感器。”

而且,这些新型传感器的应用不仅限于氨和肾脏疾病。该论文另一位共同作者、微生物学研究教授Toshiyuki Ueki说,“我们可以设计出独特的肽,每一种都能特异性地结合感兴趣的分子。因此,随着更多由于特定疾病释放的示踪分子被识别出来,我们可以将数百种不同化学嗅探纳米线结合起来,做成一种电子鼻来监测各种健康状况。”

电气工程新范式

由硅或碳纤维制成的传统纳米线可能具有很高的毒性。碳纳米管本身就是致癌物,最终成为不可生物降解的电子垃圾。其原材料可能需要投入大量的能源和化工材料才能收获并加工,同时对环境造成严重影响。但Lovley和Yao发明的这种纳米线是由普通细菌生长而成的,因此它们的可持续性要高得多。

Yao表示:“这一研究最令人兴奋的是,我们将电气工程推向了一个全新的方向。这些蛋白质纳米线的美妙之处在于,我们可以利用生物基因设计来构建一种稳定、多功能、低影响、高性价比的平台,而不是用稀缺原材料制成的无法生物降解的纳米线。”

论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115147

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