麻省大学发明了“电子鼻”，可能会彻底改变健康监测

马萨诸塞大学阿默斯特分校的科学家们最近宣布发明了一种比人类头发细1万倍的纳米线，这种纳米线可以通过普通细菌廉价生长，并调节“闻”出大量的化学示踪剂——包括那些患有哮喘和肾病等各种疾病的人释放出的化学示踪剂。

　　

   

   

图片:特定分子粘附在转基因大肠杆菌上生长的纳米线上。

来源:马萨诸塞大学阿默斯特分校

马萨诸塞大学阿默斯特分校的科学家最近宣布发明了一种纳米线，比人类头发细1万倍，可以通过普通细菌廉价生长，并可以调节“闻”大量的化学示踪剂，包括患有哮喘和肾病等不同疾病的人释放的化学示踪剂。成千上万的这种经过特殊调整的电线，每根都能嗅出不同的化学物质，可以分层安装在微小的可穿戴传感器上，为医疗保健提供者提供了监测潜在健康并发症的前所未有的工具。由于这些纳米线是由细菌生长的，所以它们是有机的、可生物降解的，比任何无机纳米线都要环保得多。

为了取得这些突破，马萨诸塞大学阿默斯特分校微生物学杰出教授Derek Lovley和马萨诸塞大学阿默斯特分校工程学院电气和计算机工程教授Jun Yao只需看看自己的鼻子就可以了。《生物传感器和生物电学》杂志对此进行了详细报道。“人类的鼻子有数百个感受器，每个感受器都对一种特定的分子敏感，”姚说。“它们比任何可以设计的机械或化学设备都要灵敏和有效得多。我们想知道如何利用生物设计本身，而不是依赖于合成材料。”

换句话说，研究小组想知道他们是否可以与大自然合作来嗅出疾病——结果证明他们已经做到了。

答案要从一种被称为硫还原地杆菌的细菌开始，洛夫利和姚以前用它来制造一种生物膜，能够从你的汗液中产生长期、持续的电能。G.硫还原剂具有惊人的天然能力，可以生长出微小的导电纳米线。

但是G. sulphreducens是一种挑剔的细菌，需要特定的条件才能生长，这使得它很难大规模使用。“我们所做的，”Lovley说，“是从G. sulreducens中提取一种叫做pilin的‘纳米线基因’，并将其拼接到大肠杆菌的DNA中，大肠杆菌是世界上分布最广泛的细菌之一。”

一旦从G. sulphreducens中去除pilin基因，Lovley、Yao和团队对其进行了修改，使其包含一种被称为DLESFL的特定肽，这种肽对氨极其敏感，氨是一种经常存在于肾病患者呼吸中的化学物质。当他们将修饰过的绒毛蛋白基因拼接到大肠杆菌的DNA中时，经过基因调整的细菌长出了微小的纳米线，上面布满了氨传感肽。然后，研究小组收集了这些氨敏感纳米线，并将其制成传感器。

该论文的共同第一作者、马萨诸塞大学阿默斯特分校微生物学博士后Yassir Lekbach说:“对纳米线进行基因改造后，它们对氨的反应比原来强100倍。”“与之前描述的用传统硅或金属纳米线制造的传感器相比，微生物制造的纳米线作为传感器的功能要好得多。”

没有必要将这些新的传感器限制在氨和肾脏疾病上。该论文的另一位共同主要作者、马萨诸塞大学阿默斯特分校微生物学研究教授Toshiyuki Ueki说:“设计独特的多肽是可能的，每个多肽都专门结合一个感兴趣的分子。因此，随着人体释放的更多针对特定疾病的示踪分子被识别出来，我们可以制造出包含数百种不同化学嗅探纳米线的传感器，来监测各种健康状况。”

电气工程的新范式

传统的由硅或碳纤维制成的纳米线可能是剧毒的(碳纳米管本身就是致癌物)，并最终成为不可生物降解的电子垃圾。他们的原材料需要大量的能源和化学投入来收获和加工，并对环境产生深远的影响。但由于洛夫利和姚的纳米线是从普通细菌中培养出来的，它们的可持续性要高得多。

Yao说:“这一研究领域最令人兴奋的事情之一是，我们将电气工程带到了一个全新的方向。这些蛋白质纳米线的美妙之处在于，你可以利用生命的基因设计来构建一个稳定、多功能、低影响和低成本的平台，而不是由无法生物降解的稀缺原材料制成的金属丝。”

这项研究得到了美国国家科学基金会的支持，并由马萨诸塞大学阿默斯特分校应用生命科学研究所(als)培育，该研究所结合了来自29个部门的深厚和跨学科专业知识，将基础研究转化为有益于人类健康和福祉的创新。