用可持续来源的微生物纳米线构建的电子鼻可以彻底改变健康监测

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10，000倍，可以通过普通细菌廉价生长，并且可以调整为“闻”大量化学示踪剂 - 包括患有不同疾病的人释放的那些，如哮喘和肾脏疾病。

数以千计的这种经过特殊调谐的电线，每根都嗅出不同的化学物质，可以分层到微小的可穿戴传感器上，为医疗保健提供者提供监测潜在健康并发症的前所未有的工具。由于这些电线是由细菌生长的，它们是有机的，可生物降解的，并且比任何无机纳米线都更环保。

为了取得这些在《生物传感器和生物电学》杂志上详细介绍的突破，资深作者、麻省大学阿默斯特分校微生物学杰出教授德里克·洛夫利(Derek Lovley)和麻省大学阿默斯特分校工程学院电气和计算机工程教授姚军(Jun Yao)只需要看看自己的鼻子。

“人类的鼻子有数百个受体，每个受体对一个特定的分子敏感，”姚说。“它们比任何可以设计的机械或化学设备都更加敏感和高效。我们想知道如何利用生物设计本身，而不是依赖合成材料。

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 - 事实证明他们已经做到了。

答案始于一种称为Geobacter sulreducens的细菌，Lovley和Yao以前用它来制造一种生物膜，能够从你的汗液中产生长期，连续的电力。G. sulreducens'具有令人惊讶的天然能力，可以生长微小的导电纳米线。

但是G. sulreducens是一种挑剔的细菌，需要特定的生长条件，因此难以大规模使用。“我们所做的，”洛夫利说，“是从G. sulreducens中取出'纳米线基因'(称为pilin)，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. sulreducens中去除了pilin基因，Lovley，Yao和团队对其进行了修改，使其包含一种称为DLESFL的特定肽，该肽对氨非常敏感 - 一种经常存在于肾脏疾病患者呼吸中的化学物质。当他们将修饰的皮林基因拼接到大肠杆菌的DNA中时，经过基因调整的细菌会萌发出带有氨感应肽的微小纳米线。然后，该团队收集了这些对氨敏感的纳米线，并将它们构建到传感器中。

“对纳米线进行基因改造使它们对氨的反应比原来高100倍，”该论文的共同主要作者，麻省大学阿默斯特分校微生物学博士后研究员Yassir Lekbach说。“微生物生产的纳米线作为传感器的功能比以前描述的用传统硅或金属纳米线制造的传感器要好得多。

而且没有必要将这些新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、麻省大学阿默斯特分校微生物学研究教授Toshiyuki Ueki说：“设计独特的肽是可能的，每种肽都特异性地结合感兴趣的分子。因此，随着更多由身体发射的示踪分子被识别出来，这些分子特定于特定疾病，我们可以制造包含数百种不同化学嗅探纳米线的传感器，以监测各种健康状况。

电气工程的新范式

由硅或碳纤维制成的传统纳米线可能具有剧毒 - 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废物。他们的原材料可能需要大量的能源和化学投入来收获和加工，并留下深刻的环境影响。但是由于Lovley和Yao的纳米线是从普通细菌中生长出来的，因此它们的可持续性要强得多。

“关于这一领域的研究，最令人兴奋的事情之一是，”姚说，“我们正在将电气工程推向一个全新的方向。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建立一个稳定、多功能、低影响和具有成本效益的平台，而不是由不会生物降解的稀缺原材料制成的电线。

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