背景

美國馬里蘭大學生物工程系的Bentley實驗組和Payne實驗組近年來通過電化學（Electrochemistry），生物材料（Biofabrication）和合成生物學（Synthetic biology）的手段合作研製出了一套全新的方法，名為生物電路（Bio-electronic circuit），來實現電路和生物系統之間的雙向「對話」。具體得說，研究人員不但可以通過電路系統檢測目標環境中的生物化學信息，也可以通過控制電信號的輸入來改變目標細胞的基因表達。

生物電路

生物系統與微型電路裝置的最大的不同就是信息流動方式的不同。在生物體內，幾乎所有的活動都是基於分子的傳遞，比如在細胞和組織間傳遞的葡萄糖，膽固醇，腎上腺素和胰島素。病原體也是通過分子作用，比如表面受體和毒素，寄宿在我們的體內並影響我們的健康。所以，我們必須檢測這些分子來識別病原體，然後建立起相應的反制措施。另一方面，微型電路裝置（如手機）基本是由生物體內不含有的硅，金，硼和磷等元素構成，並通過自由電子的流動來傳遞信息。同樣，這些自由電子在生物體內也是不存在的。由此可見，電路和生物系統間的連接存在著障礙。

幸運的是，有一種存在於生物體內的分子具有穩定運輸自由電子的能力。這些分子被稱為「氧化還原分子（redox-molecule）」。它們可以像電線一般傳輸電子。不同的是，在電線中，電子的位置是不受限制的；而氧化還原分子必須通過氧化反應或者還原反應來傳遞電子。這些氧化還原分子就是整個生物電路技術的核心。

生物電路的關鍵部位包含了一塊電極和電極表面的一層殼聚糖膜（chitosan film）。這塊電極通過背後的電路系統連接到外部電源和裝置；同時通過這層膜與生物世界進行「對話」。研究人員在這層膜中添加了「氧化還原分子」（redox-active molecules）。含有這些分子的殼聚糖膜雖然在無外界刺激的情況下是不導電的，但是當周圍發生氧化還原反應時，膜中的分子被激活，從而使膜導電。最後，電流的產生和大小可以被檢測到。根據這個原理，電路和生物系統的連接成為了可能。基於生物電路，研究人員開發出了不同的應用：樣本檢測和基因調控。

研究人員首先將這個技術利用到了樣本中病菌含量的檢測中。這項研究成果刊登在了2013年的《分析化學》雜誌（Analytic Chemistry）上。1 在這個實驗中，目標病菌是綠膿桿菌（P. aeruginosa），一種能夠感染肺部及泌尿道，導致肺炎或其他疾病的傳染性病菌。現在市面上檢測綠膿桿菌的普遍手段是用聚合酶連鎖反應（PCR），一種費時費力而且需要多個儀器輔助的方法。使用生物電路，研究人員可以快速，實時地檢測綠膿桿菌的代謝物（Pyocyanin）的含量，從而知曉病菌的數量。實驗的具體細節如圖一所示，綠膿桿菌新產生的Pyocyanin（圖一中的綠點）處於氧化態（Oxidized），在與殼聚糖膜接觸並反應後，將電子轉移給了其中的氧化還原分子（Catechol，由紅變藍）從而激活膜的導電性。最後電流的變化可以被檢測到（圖一右側）。檢測到的電流強度隨Pyocyanin的含量高低而同步變化。

圖 1|生物電子檢測裝置（Bio-electronic sensor）。 綠膿桿菌（P. aeruginosa）產生的代謝物（Pyocyanin）通過與氧化還原分子（Catechol）的反應將電子轉移給了膜。獲得了電子後，膜從不導電變成了導電。通過的電流變化可以被檢測到（右圖）。

在另一個方向上，研究人員基於生物電路開發了一種使用電信號調控細胞的基因表達裝置，名為「基因調控開關」（Electro-genetic switch）。這項研究成果被刊登在了今年的《自然》雜誌（Nature：Communications）上。和傳統使用的分子信號（例如荷爾蒙）來影響細胞基因表達不同，這個 「開關」僅利用電信號（電壓輸入）便達到了相同的目的。裝置的示意圖如圖二所示：來自電極的電信號改變了氧化還原分子的氧化態（oxidation state）。當感知到這些處於新狀態的分子後，附近的細胞（被基因改造過）啟動基因表達，完成指定任務（如游到某處或者產生治療物質）。在具體的實驗中，使用鐵氰化鉀（Ferricyanide）作為氧化還原分子，研究人員成功地通過調節電信號的輸入激活並控制了大腸桿菌的兩種基因表達：綠色熒光蛋白的表達和運動能力的恢復（該實驗使用了運動能力喪失的細胞）。2

圖 2| 基因調控開關（Electro-genetic switch）示意圖。通過電路輸入的電信號（左側）作用在氧化還原分子（中部）上，改變其氧化還原態（從白變黃）。感知到環境中新產生的氧化還原分子時，細胞（右側）啟動預先設定好的基因表達，最後達成某種任務（比如游到指定地點）或者產生特定治療藥物。

應用前瞻

實時檢測

傳統檢測手段過度依賴實驗室里的生物化學檢測試劑盒或者大型檢測儀器（如聚合酶連鎖反應（PCR），核磁共振波譜（NMR）和紅外光譜（IR）。其費時費力的操作使得這些檢測無法做到實時。相比之下，使用生物電路進行檢測非常方便且快速，而且對人工依賴程度低，使得實時檢測變為可能。目前為止，生物電路的一個局限便是它只能檢測帶有氧化還原性的目標物。為了突破這一限制，研究人員正在研究將基因改造後的細胞（比如大腸桿菌）添加到殼聚糖膜中來拓展檢測的範圍。這些改造過的細胞能夠將許多不帶有氧化還原性的目標分子「翻譯」成氧化還原分子，從而啟動生物電路，最終產生可以被觀測到的電信號變化。這種改良將會極大豐富生物電路的使用領域，增加其應用價值。理論上，這項技術可以被運用到包括醫療衛生（如疾病預防）和工業生產（如生物反應器的實時監控）等領域。

自動化醫療

受益於電子系統的自動化能力，研究人員正在研究將檢測和基因調控兩個功能整合到同一個系統中。這個二合一的系統可以實現自動化醫療的目的：當檢測端識別周圍環境中存在病原體時，電路自動儲存一個電信號到一個小型電池中；當儲存在電池中的電信號超過一個最低閾值時（意味著周圍病原體數量過多），系統會自動傳輸電信號給基因調控端的細胞，促使其基因表達，生產藥物來針對病原體。因為藥物的生產必須是基於病原體的識別，所以該治療系統將擁有非常高的靶向性和低的副作用。也許在不遠的將來，這一整套系統可以被縮小到一個微米級的膠囊中（部分已經是微米級），我們可以服用這樣的一個膠囊，並通過手機或者其他小型電子設備（如藍牙）來遠程監控我們的健康情況和在必要時進行治療。

未來挑戰

生物電路的研發將生物和電子系統連接到了一起，使人體上的信息可以更高效得被整合到我們的數據網路中，令實時監控和自動化醫療成為了可能。不過，這項技術在商業化之前還需要克服一系列的難題。第一個難題便是該系統的工作範圍。無論是檢測還是基因調控，檢測物和細胞必須非常靠近電極從而與殼聚糖膜上的氧化還原分子發生反應。換句話說，現實驗室階段的生物電路系統的工作範圍非常小，僅不到1厘米。如何增加工作範圍或者找到與現有工作範圍匹配的應用，是一個挑戰。另一個難題是生物電路系統的穩定性。該系統的關鍵，氧化還原分子，僅依賴物理方法聚集在殼聚糖膜中。也就是說，隨著時間推移，這些分子會不斷得從膜中流失。而一但失去這些分子，生物電路便無法工作。如何保證系統的穩定性也是商業化之前必不可少的。綜上所述，生物電路的意義在於將兩個原本沒有交集的龐大領域連接到了一起。這項研究在長遠上看是意義非凡的。不過該技術仍處在實驗室階段，距離真正意義上的實用化階段還有著非常長的路要走。

參考文獻

E. Kim, T. Gordonov, W. E. Bentley and G. F. Payne, Anal. Chem., 2013, 85, 2102-08.

T. Tschirhart, E. Kim, R. McKay, H. Ueda, H. Wu, A. E. Pottash, A. Zagar, A. Negrete, J. Shiloach, G. F. Payne and W. E. Bentley, Nat. Commun., 2017, 8, 1-11.

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