【導讀】醫療電子的春天來(lái)了。只要你敢將生物電路注入體內，那么一切病癥將不是事！最近一種新的研究趨勢是利用電路重新設計分子細胞——這些生物電路能以自然發(fā)生的方式將細胞連接電路，使其執行新的功能。既可以修補一些損害的細胞，同時(shí)也可以跟蹤癌細胞并找到它消滅之。
“基因工程”選殖分子細胞并直接改變其基因，使其得以執行不同于本性最初所默認的功能。最近一種新的研究趨勢是利用電路重新設計分子細胞——這些生物電路能以自然發(fā)生的方式將細胞連接電路，使其執行新的功能，例如修補因帕金森氏癥破壞的多巴胺產(chǎn)生細胞。
“我們的最終目標是針對復雜的醫療應用，例如在血液中注入電路尋找癌細胞，并在找到癌細胞后注射藥物，”美國麻省理工學(xué)院(MIT)教授Domitilla Del Vecchio表示，“這種電路需要一個(gè)是傳感器、計算機以及一個(gè)注射藥物的致動(dòng)器組件，而這些就是目前我們正在努力開(kāi)發(fā)的組件。
酵母菌(中)就像電子組件般的互連在一起，只不過(guò)這些細胞并非透過(guò)電線(xiàn)交流，而是經(jīng)由僅能以適當接受器注入細胞的化學(xué)藥物進(jìn)行互動(dòng)。
其他可能的應用包括合成生物電路，用于持續為糖尿病患者測量血糖濃度，以及在需要時(shí)釋放胰島素。
相較于設計電路，這種生物電路的設計過(guò)程較緩慢且更困難。首先，研究人員并非使用神經(jīng)進(jìn)行通訊。相反地，他們利用的是自然生物細胞內的一般通訊方式，透過(guò)“產(chǎn)出”分泌一種只對“輸入”細胞造成影響的化學(xué)藥物。
其次是用來(lái)建模所需電路的數學(xué)算法。研究人員無(wú)法利用像奧姆定律(Ohm''''s Law)那樣簡(jiǎn)單的RLC公式，而是必須使用像微分方程式等繁瑣的數學(xué)。“生物電路是非線(xiàn)性的，因此我們必須使用微分方程來(lái)建模，”Del Vecchio說(shuō)。
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許多疾病似乎都無(wú)法透過(guò)對癥下藥的簡(jiǎn)單方式治愈，因為他們需要的是更復雜的療程，包括主動(dòng)式感測、運算與響應。根據MIT的研究人員們表示，最佳方式就是在體內培植可執行這些功能的細胞，而不是采用像以往研究人員們試圖透過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )加以連接的方式。
從左到右：MIT生物工程學(xué)教授Ron Weiss、機械工程學(xué)副教授Domitilla Del Vecchio，以及MIT生物工程系學(xué)生Deepak Mishra。
“除了神經(jīng)細胞，生物系統中還有多種類(lèi)型的電路，例如，控制基因表現的基因電路以及控制生物時(shí)鐘功能的細胞，例如早上何時(shí)起床等，”Del Vecchio說(shuō)。
截至目前為止，研究團隊在設計電路時(shí)主要都以感知用途為主，無(wú)論是使用酵母菌或細菌細胞等。“細菌細胞更易于操作，因為細菌沒(méi)有難以處理的細胞核。”
最后再加上負載驅動(dòng)能力，就能夠使該團隊的創(chuàng )新夢(mèng)想成真。負載驅動(dòng)器可為信號來(lái)源與發(fā)送信號之間提供緩沖作用，避免信號受到延遲影響以及導致不可預測的結果。
MIT生物工程學(xué)博士候選人Deepak Mishra、機械工程系碩士研究生Phillip Rivera，以及電子工程與計算機科學(xué)系研碩士研究生Allen Lin均共同參與了這項研究。Eni-MIT能源研究獎學(xué)金、美國國家科學(xué)基金會(huì )(NSF)、美國陸軍研究辦公室、美國空軍科學(xué)研究辦公室以及美國國立衛生研究院共同贊助這項研究。
