细菌的集成电路

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细菌的集成电路 [复制链接]

[作者:翻译:peregrine] [发布时间:20040929] [来源:http://science.nasa.gov/headlines/y2004/10jun_bbics.htm]

藉由使用界面将细菌连接到硅芯片上，美航天总署(NASA)资助的研究人员已研制出近乎能感知任何物质的装置。 　　如同矿坑中的金丝雀，微生物往往能在人类之前感知环境的危险事物。看出金丝雀的反应并无困难，不过如何能知晓微生物的知觉?又如何诱使微生物做出沟通? 　　有种方法是使用界面将微生物连接到硅芯片上。田纳西(Tennessee)大学的微生物学家Gary Sayler及其同仁已开发出一种使用芯片收集来自经特殊改造过之细菌的信号。这些研究人员已使用这些被称为生物发光之生物信息集成电路(Bioluminescent Bioreporter Integrated Circuits: BBICs)，来追踪地球上的污染物质。在获得NASA生物暨物理研究室(NASA`s Office of Biological and Physical Research)的资助，目前这些研究人员正从事供宇宙飞船使用之类型的设计。 　　除喷射推进实验室(JPL)及甘乃迪太空中心之合作人员外，Sayler包括田纳西大学研究员Steve Ripp、Syed Islam及Ben Blalock的团队已生物工程改造出，于污染物质存在处发出蓝绿光的微生物。而后将那些细菌连接到微发光计量器(microluminometers：被设计来测度这种光的芯片)上。 　　Sayler阐述，BBICs所提供是种低成本、低耗能量之侦测污染物质的方法。BBICs极为细小，每个约2毫米平方，因而整个装置包括其电源很可能会约为火柴盒大小，且能持续地监测其周遭环境。 　　美航天总署(NASA)对感知污染物质感兴趣，是因宇宙飞船属紧闭密封的。来自科学实验之未被察觉的气体，或霉菌及其它生物薄膜(biofilms)所产生的毒素会累积而对航天员造成危害。BBICs能被精心制造来感知近乎任何物质：氨、镉、铬酸盐、钴、铜、蛋白质、铅、汞、多氯联苯(PCBs)、超音波、紫外射线及锌─项目不胜枚举。 　　该装置出人意料地粗糙。微生物横行于广泛的环境中，因而设计能持续存在于极度遭污染之环境中的BBICs是可能的。Sayler讶异地表示，事实上BBICs置身诸如喷出之燃料与水的混合物中，也能发挥其功用。 　　虽然微生物能保护自己免于毒素，依旧有各类需求─譬如，食物。Sayler表示，使微生物存活是该研究的重要部份。 　　有项问题是这些微生物必须被固定，以便完全与芯片保持接合。Sayler表示，该项挑战正试图想出如何以微生物能尽可能长久存活的方法来固定它们。 　　这些研究人员正从事各种能使微生物保持于固定位置的物质试验。当然，为使芯片能感知这些微生物发出的光，具良好透光度的物质至为重要。固着物必须是可渗透的，以便任何污染物质能流入且及于这些微生物。之外必须含有供微生物赖以为生的养分且给予微生物足够却不太多的空间。基本上研究人员试图于不让微生物成长的细胞间质(matrix)中，为这些被固定的生物补给养分。即使会成长，研究人员实在不希望它们成长太多。倘若它们成长，这会改变该奘置中细胞的总数，而打乱多少光相当多少污染物质的问题。 　　Sayler希望研发出微生物于其中能保持功能达几个月的透明凝胶。这种感知器很可能会被安置于宇宙飞船内壁上，以便持续监测船内的空气。这些感知器也自行监测，以确定微生物依然活着。研究人员能电气地诱使细胞发光，因而能偶尔地使该装置产生瞬间脉动，以了解这些生物是否生理上依然活着。 　　大约6个月后，芯片会发出传达`哎呀!是更换细菌感知器时候`的信息。此时航天员应取来经冷冻干燥的种子微生物包，添加上少许的水分而后将此微生物包插入感知器中。除外无需做任何事，直到6个月后下一次信息发出。这是种低维护的装置。 　　于地球上也很管用。这些BBICs能侦测经压制之木材家俱，或往往涉及中央空调建物症候群(sick building syndrome)且不易侦测之霉菌所释出的甲醛。Sayler宣称，倘若此种装置如计划般起作用，则能证实是种极廉价的监测装置。人们能到街角西药房购买BBIC，带回家黏于壁上。它会告知是否人们的地毯正释出毒气，或是否人们已有了像黑色霉菌(black mold)的问题。 　　就国土安全而言，先进的BBICs能充当生物恐怖制剂的监测器。亦可充当侦测航天员中DNA辐射性损伤的方法、或供医师作为诊断工具。譬如，Sayler展望BBICs能作为糖尿病治疗计划的一部份。一种配备有芯片上无线电发射器之可植入的BBIC能监测血糖水平并与远程胰岛素传递系统联系。此类装置也能就某种传达肿瘤信息之蛋白质，进行体液扫瞄。换言之，是种癌肿的早期警报装置。 　　这些构想成真之前需进行很多的研究，而使BBICs于宇宙飞船上起作用是开始的好地方。