用可持续来源的微生物纳米线制成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，它比人类头发细10,000倍，可以通过普通细菌廉价地生长，并且可以调整以“闻到”大量的化学示踪剂——包括那些发出的示踪剂由患有不同疾病(如哮喘和肾病)的人提供。

数以千计的这种经过特殊调谐的电线，每根电线都能嗅出不同的化学物质，可以层叠在微型可穿戴传感器上，使医疗保健提供者成为监测潜在健康并发症的前所未有的工具。由于这些线是由细菌生长的，因此它们是有机的、可生物降解的，并且比任何无机纳米线都更环保。

为了取得这些突破，这些突破在生物传感器和生物电学杂志上有详细介绍，资深作者、麻省大学阿默斯特分校微生物学特聘教授DerekLovley和麻省大学阿默斯特分校工程学院电气与计算机工程教授JunYao需要看看不超过他们自己的鼻子。

“人的鼻子有数百个受体，每个受体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更加灵敏和高效。我们想知道我们如何利用生物设计本身而不是依赖合成材料。”

换句话说，该团队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。

答案始于一种名为Geobactersulfurreducens的细菌，Lovley和Yao之前曾使用这种细菌来制造生物膜，该生物膜能够从你的汗液中产生长期、持续的电力。G.sulfurreducens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.sulfurreducens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，”Lovley说，“是从G.sulfurreducens中提取‘纳米线基因’——称为菌毛蛋白，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的细菌之一。”

一旦从G.sulfurreducens中去除菌毛蛋白基因，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，它对氨极为敏感——一种经常存在于肾病患者呼吸中的化学物质.当他们随后将经过修饰的菌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会长出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YassirLekbach说。“与以前描述的用传统硅或金属纳米线制造的传感器相比，微生物产生的纳米线作为传感器的功能要好得多。”

并且没有必要将这些新传感器仅限于氨和肾脏疾病。该论文的另一位共同主要作者和麻省大学阿默斯特分校微生物学研究教授ToshiyukiUeki说：“设计独特的肽是可能的，每一种肽都特异性地结合一个感兴趣的分子。因此，随着更多的示踪分子，由身体排放并且确定了特定疾病的特异性，我们可以制造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。”

电气工程的新典范

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质——最终会成为不可生物降解的电子垃圾。他们的原材料可能需要大量的能源和化学品投入才能收获和加工，并对环境产生深远影响。但是因为Lovley和Yao的纳米线是从普通细菌中生长出来的，所以它们的可持续性要高得多。

“这一研究领域最令人兴奋的事情之一，”Yao说，“我们正在将电气工程引向一个全新的方向。不再使用不会生物降解的稀缺原材料制成电线，而是这些电线的美丽之处蛋白质纳米线是你可以使用生命的基因设计来构建一个稳定、多功能、低影响和具有成本效益的平台。”