合成生物大牛開發「細菌膠囊」掀起智能手機診斷新時尚

「我們現在可以用它實時監測人體內的生物信號，」麻省理工學院電子工程、計算機科學以及生物工程系副教授（盧冠達）Timothy Lu說。

5月24日，《Science》雜誌在線報道了Lu教授課題組的新發明。Lu教授和工程學院院長Anantha Chandrakasan博士是文章的通訊作者，研究生Mark Mimee和MIT前博後學者Phillip Nadeau是本文的第一作者。

該感測器被設計成能響應血液標誌物血紅素，並發出熒光，他們在大型哺乳動物豬身上證明了組合感測器的有效性，同時，還另外設計了對炎症標誌物有反應的其他感測器。

無線通信

「這項工作的關鍵是系統設計和將細菌感測能力與超低功率電路結合的集成策略，」Chandrakasan說。

過去十年，合成生物學家在針對環境污染和疾病標誌物工程菌方面做出了巨大貢獻。這些細菌被設計成遇到特定標誌物刺激就輸出光信號。但是，檢測細菌反應通常需要專業的實驗室設備，這限制了各種生物感應器的應用場景。

「我們的想法是，將細菌包裝在一個容器內，當容器通過胃部，內部細菌就能一路捕獲目標標誌物，」Nadeau說。

他們首先創建表達特定基因電路的有益大腸桿菌。最初的研究重點是檢驗消化道出血，因此，細菌在遇到血紅素後立即表達發光蛋白。

他們把細菌放在一種被半透膜覆蓋的定製感測器上，這種膜可以允許周圍小分子透過，不會泄露細菌。在盛放細菌的4個小皿下面是一個光電晶體管，用於測量細菌的產光量，並將數據傳遞給微處理器，再通過無線電發送給附近的計算機或智能手機。研究人員專門開發了一款Android應用程序用來分析這些數據。

感測器總長僅約3.8厘米，運行功率約13微瓦。研究人員為它配備了一個2.7伏的電池，他們估計電池可以提供1.5個月的續航能力。他們表示，利用Nadeau和Chandrakasan之前開發的技術，該設備還可以使用胃酸提供能量。

診斷疾病

目前，如果醫生懷疑病人有胃潰瘍出血，只能利用內鏡確診。這種檢驗方法需要讓病人保持鎮靜。

內窺鏡

「細菌膠囊」

研究人員在豬體內測試了新型可攝入感測器，結果顯示它能正確地判斷動物胃中是否有血液存在。根據需要，它可被設計成一次性使用或保留在消化道內數天或數周發送連續信號。

「現在你只需吞一顆膠囊，在相對較短的時間內就能看到你的胃部是否存在出血事件，」Mimee說。

《Science》文中，研究人員還描述了檢驗另外兩種分子的感測器，但還未在動物身上進行試驗。其中一種感測器被設計成識別硫代硫酸鹽（thiosulfate），這種分子與炎症有關，可用於監測Crohn氏病等出現炎症癥狀的患者。另一種被設計成識別AHL分子，這種分子是一種胃腸道感染標誌物，不同類型的細菌所生產的AHL僅略有不同。

除了設計檢驗出血以外的腸道疾病感測器，研究人員計划進一步縮小感測器尺寸，鑒定細菌在消化道的存活時間。

「今後，任何感知疾病特徵的工程細菌都可滴入這些設備，然後就能馬上使用了，」Mimee說。鑒於感測器可被設計成攜帶多種細菌，它們的應用前景非常廣闊。

「現在我們只設計了4個檢測孔，如果將其擴展到16個貨256個，那麼它就能攜帶更多類型細胞，並行讀取體內信息，從而實現更高通量的篩選，」Nadeau說。

原文標題

An ingestible bacterial-electronic system to monitor gastrointestinal health

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