這種“芯片上的細菌”方法將活細胞制成的傳感器與超低功耗電子設備結合在一起，將細菌反應轉換為可由智能手機讀取的無線信號。
“通過將工程生物傳感器與低功耗無線電子設備相結合，我們可以近乎實時地檢測身體中的生物信號，為人類健康應用提供新的診斷功能，”麻省理工學院電氣工程副教授Timothy Lu說。和計算機科學和生物工程。
在5月24日在線版“ 科學”雜志上發表的這項新研究中，研究人員創造了對血液成分作出反應的傳感器，并證明它們可以在豬身上發揮作用。他們還設計了可以響應作為炎癥標志物的分子的傳感器。
麻省理工學院工程學院院長Luan和Anantha Chandrakasan以及Vannevar Bush電氣工程和計算機科學教授是該研究的高級作者。主要作者是研究生Mark Mimee和前麻省理工學院博士后Phillip Nadeau。
無線通信
在過去十年中，合成生物學家在設計細菌方面取得了很大進展，以應對環境污染物或疾病標記等刺激。這些細菌可以設計成在檢測目標刺激時產生光等輸出，但通常需要專門的實驗室設備來測量這種反應。
為了使這些細菌對實際應用更有用，麻省理工學院的團隊決定將它們與可以將細菌反應轉化為無線信號的電子芯片相結合。
“我們的想法是將細菌細胞包裝在設備內，”Nadeau說。“當設備通過胃時，細胞會被困住并繼續騎行。”
對于他們最初的示范，研究人員專注于胃腸道出血。他們設計了一種大腸桿菌益生菌菌株，以表達一種遺傳回路，當它們遇到血紅素時會導致細菌發光。
他們將細菌放入定制設計的傳感器中的四個孔中，由半透膜覆蓋，允許來自周圍環境的小分子擴散通過。每個孔下面是一個光電晶體管，可以測量細菌細胞產生的光量，并將信息傳遞給微處理器，微處理器向附近的計算機或智能手機發送無線信號。研究人員還構建了一個可用于分析數據的Android應用程序。
傳感器是一個約1.5英寸長的圓柱體，需要大約13微瓦的功率。研究人員為傳感器配備了2.7伏電池，據他們估計這種電池可以連續使用約1.5個月。他們說，它也可以通過胃中酸性液體維持的伏打電池供電，采用Nadeau和Chandrakasan先前開發的技術。
“這項工作的重點是系統設計和集成，將細菌傳感的功能與超低功耗電路結合起來，實現重要的健康傳感應用，”Chandrakasan說。
診斷疾病
研究人員測試了豬中的可攝取傳感器，并證明它可以正確地確定胃中是否存在任何血液。他們預計這種類型的傳感器可以部署為一次性使用，也可以設計為在幾天或幾周內保持消化道，發送連續信號。
目前，如果懷疑患者是胃潰瘍出血，他們必須進行內窺鏡檢查來診斷問題，這通常需要患者服用鎮靜劑。
“這種傳感器的目標是，你可以通過攝取膠囊來規避不必要的手術，并且在相對較短的時間內你就會知道是否有出血事件，”Mimee說。
為了幫助將該技術用于患者使用，研究人員計劃減少傳感器的尺寸并研究細菌細胞在消化道中存活多長時間。他們還希望開發除出血以外的胃腸道疾病傳感器。
在“ 科學”雜志上，研究人員調整了先前描述的兩種其他分子的傳感器，這些分子尚未在動物身上進行過測試。其中一個傳感器檢測到一種叫做硫代硫酸鹽的含硫離子，它與炎癥有關，可用于監測患有克羅恩病或其他炎癥的患者。另一種檢測到稱為AHL的細菌信號分子，它可以作為胃腸道感染的標志物，因為不同類型的細菌會產生略微不同的分子形式。
“我們在論文中所做的大部分工作都與血液有關，但可以想象，你可以設計細菌來感知任何東西并產生光照以應對血液，”Mimee說。“任何試圖設計細菌來感知與疾病相關的分子的人都可以把它插入其中一個井中，它就可以了。”
研究人員表示，這些傳感器還可以設計用于攜帶多種細菌菌株，從而可以診斷各種疾病。
“現在，我們有四個檢測站點，但是如果你可以擴展到16或256，那么你可以擁有多種不同類型的細胞，并能夠并行讀取它們，從而實現更高通量的篩選，”Nadeau說。
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