华人大牛再发,美研究人员首次使用经基因改造的活细胞作微型传感器

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在过去的 10
多年里,合成生物学家们就像是生物黑客一样,对细菌进行了大幅度的改造。比如说,某些细菌只要感知到环境中的特定信号,就会用发光来宣告它们的发现。今日,顶尖学术期刊《科学》上刊登了一项来自知名华人学者卢冠达教授的研究,在不久前刚在《细胞》杂志上发表“抗癌黑科技”的他,在本期的《科学》上又玩出了新花样——这支团队竟把益生菌改造成了“医生菌”,在体内检测生理异常。

美国研究人员首次使用经基因改造的活细胞制作微型传感器,进而制成胶囊,用于探查胃肠道疾病。麻省理工学院研究人员首先用基因工程改造大肠杆菌的一种无害菌株,使它遇到血液中的亚铁血红素时发光;再将数以百万计这种菌株填入特制传感器中,覆以半透膜。

这个酷酷的技术在医学上有着广阔的应用前景。就拿消化道疾病来说吧,目前要确定患者是否有内出血,最常见的方法就是内窥镜技术。但这往往需要让患者进入麻醉状态,并不是非常方便。如果能让细菌检测体内的出血,无疑将大大简便整个检测流程。

安装在菌株下的光电晶体管可以测量细菌细胞发出的光量,把信息传递给微处理器,由后者把信息无线发送至附近计算机或智能手机。研究人员开发一款“安卓”系统应用程序,可以分析接收到的信息。这个圆筒状传感器长大约
3.8 厘米,运行时仅需大约 13 微瓦特电量。传感器配备的电池为 2.7
伏特,可供传感器连续运行一个半月左右。

▲本研究的主要负责人之一 Timothy Lu 教授又带来了新的黑科技

研究人员在由最新一期《科学》杂志刊载的文章中写道,实验显示,这种胶囊进入猪的体内后,能准确探查胃出血信号。他们下一步将研究如何缩小传感器尺寸并开发更多对炎症、溃疡甚至癌症敏感的菌种,以便用于探查人体胃肠疾病。蒂姆·卢猜想,患者今后可能仅需“一周或一月吞下一粒”电子胶囊,就能取代传统的结肠镜检查,尽早探查癌症早期征兆。

但这在技术上有着两个瓶颈。首先,让患者吞下大量细菌显然不现实;其次,即便这些细菌进入了体内,它们也无法和外界进行信息交流。

为了克服这两大瓶颈,研究人员们决定打造一款“细菌药丸”。它能将细菌安全地送入体内检测异常,还能把检测结果实时反馈给人类。

▲研究人员将益生菌装入“药丸”

这听上去像是科幻的场景,在 MIT
科学家们手下成为了现实。他们将益生菌放在了一个传感器上,并在外边包裹了一层半透膜——这样一来,环境中的小分子可以透过这层膜接触到细菌,而细菌则不会被体内的胃酸消化掉。按照设计,如果细菌检测到了肠道内出血,就会发光。

与此同时,研究人员设计的这款传感器能够评估细菌产生的光强,并将数据通过无线信号传到体外。只要有一台智能手机,就能获取这些数据。

▲通过手机,研究人员们就能获得细菌发出的信号

“通过生物感受器与低功耗无线电子设备的结合,我们能在体内几乎实时地检测生物信号,带来全新的人类健康应用。”
卢教授说道。

在一项哺乳动物的实验中,这一技术的潜力得到了验证。他们先在猪的体内输入血液,然后让它们服下“细菌药丸”。研究表明,这些细菌能够清楚地区分胃部究竟是血液还是作为对照的缓冲液。

▲动物实验表明细菌能够有效区分胃部是否有血液存在

“这项研究的重点在于将细菌的检测能力与低能耗的电路系统整合到一起,实现重要的健康检测。”MIT
工程学院主任,该研究的共同通讯作者之一 Anantha Chandrakasan 教授补充道。

▲“细菌药丸”在未来有着广阔的应用前景

研究人员们相信,这一工具在未来有着无限潜力。通过对细菌的改造,我们能够检测不同的疾病信号。譬如,检测克罗恩病和胃肠道感染的细菌已经开发完毕,即将进入实验阶段。另外,通过增加细菌的种类,我们甚至可以一次对多种信号进行检测。

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