基于微生物纳米线的电子鼻有望变革健康监测

据麦姆斯咨询报道，马萨诸塞大学阿默斯特分校（UMass Amherst）的科学家近日报道了一种新型纳米线，其比人类头发丝细10000倍，可以利用普通的细菌廉价地生长而成，更重要的是，可经过调谐而“嗅出”很多化学示踪剂，包括哮喘和肾病等不同疾病患者发出的化学示踪剂。

数以千计的这种经过特殊调谐的纳米线，每根都能嗅出不同的化学物质。它们可以层叠集成在微型可穿戴传感器上，从而为医疗保健应用提供一种前所未有的监测潜在并发症的“电子鼻”。由于这些纳米线是由细菌生长的，因此它们是有机、可生物降解的，比所有的无机纳米线都更加环保。

这项研究成果已发表于Biosensors and Bioelectrics期刊。为了实现这一突破，论文通讯作者、马萨诸塞大学阿默斯特分校微生物学杰出教授Derek Lovley和工程学院电气与计算机工程教授Jun Yao从人类自己的鼻子获得了灵感。Yao说：“人类鼻子有数百个受体，每个受体对一种特定分子敏感。其比所有经过设计的机械或化学传感器都要灵敏且高效得多。我们想知道如何利用生物本身进行设计，而不是依赖合成材料。”

换言之，该研究小组想知道他们是否可以与大自然合作来嗅出疾病，然后他们确实做到了这一点。

答案源自一种被称为硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducens）的细菌，Lovley和Yao之前利用这种细菌制造了一种生物膜，能够从汗液中产生长期、持续的电能。硫还原地杆菌具有惊人的天然能力——能够生长微小的导电纳米线。

微生物纳米线传感器制造和评估示意图

但是，硫还原地杆菌是一种需要特定条件才能生长的苛刻细菌，因此难以大规模使用。Lovley说，“我们所做的，是从硫还原地杆菌中提取‘纳米线基因’，称为菌毛蛋白（pilin），然后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。”

从硫还原地杆菌中提取菌毛蛋白基因之后，Lovley、Yao及其团队对其进行了修饰，使其包含一种特定的肽，称为DLESFL，它对氨极为敏感（氨是一种经常存在于肾病患者呼吸中的化学物质）。然后，当他们将经过修饰的菌毛蛋白基因拼接到大肠杆菌的DNA中时，这种经过基因修饰的细菌就长出了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，并将其构建成传感器。

“对这种纳米线进行基因修饰，使其对氨的响应提高100倍。”该论文共同一作、微生物学博士后Yassir Lekbach说，“这种由微生物生产的纳米线，作为传感器的功能，优于传统利用硅或金属纳米线制造的传感器。”

而且，这些新型传感器的应用不仅限于氨和肾脏疾病。该论文另一位共同作者、微生物学研究教授Toshiyuki Ueki说，“我们可以设计出独特的肽，每一种都能特异性地结合感兴趣的分子。因此，随着更多由于特定疾病释放的示踪分子被识别出来，我们可以将数百种不同化学嗅探纳米线结合起来，做成一种电子鼻来监测各种健康状况。”

电气工程新范式

由硅或碳纤维制成的传统纳米线可能具有很高的毒性。碳纳米管本身就是致癌物，最终成为不可生物降解的电子垃圾。其原材料可能需要投入大量的能源和化工材料才能收获并加工，同时对环境造成严重影响。但Lovley和Yao发明的这种纳米线是由普通细菌生长而成的，因此它们的可持续性要高得多。

Yao表示：“这一研究最令人兴奋的是，我们将电气工程推向了一个全新的方向。这些蛋白质纳米线的美妙之处在于，我们可以利用生物基因设计来构建一种稳定、多功能、低影响、高性价比的平台，而不是用稀缺原材料制成的无法生物降解的纳米线。”

审核编辑：刘清