马里兰大学(UMD)的研究人员正在努力开发一种直接控制基因表达的电学装置，这项成就为控制生物系统带来了希望，并可能有助于塑造生物传感器的未来，以及可穿戴式(甚至可能是植入式)生物传感器。混合设备。
该团队由UMD杰出大学教授，该大学的罗伯特·E·费舍尔生物医学设备研究所所长William Bentley领导，他们正在使用氧化还原生物分子-对所有人体细胞的健康至关重要的微小细胞信使-将电子信息传递给工程细菌细胞。为此，该小组开发了一种正在申请专利的电发生装置，该装置使用电极和工程细胞控制合成基因回路中基因表达的方式和时间。
本特利说：“研究人员长期以来一直使用嵌入了生物成分的微电子设备(例如高通量DNA测序技术)来询问生物学，但是这种设备有潜力做更多的事情，甚至可以让科学家控制生物学。”
以前，Bentley的团队迈出了第一步，开发了一种方法，可通过调节位于酶和电极之间的天然氧化还原分子，将酶加载和控制到微电子芯片上。在此基础上，该团队现在正在调节氧化还原分子，以便将电极驱动的信号与专门设计用于通过激活基因表达做出反应的细胞联系起来。这种方法可以为希望推动复杂生物学行为的科学家打开大门，例如通过控制生物膜甚至在微型设备中生产疗法。
Bentley与费舍尔生物工程学系(BIOE)和UMD生物科学与生物技术研究所(IBBR)教授格雷戈里·佩恩(Gregory Payne)一起，扩展了在生物合成领域中电基因装置的先前应用，研究小组证明了小分子具有广泛的应用前景。分子通讯库。正如该小组在1月17日星期二在线发表的《自然通讯》(Nature Communications)论文中指出的那样，一旦科学家具备测量，破坏或增强这些生物分子信号的能力，他们将处于有利位置，可以开发先进的技术来研究和操纵生物环境。
佩恩说：“电子技术已经改变了我们的生活方式，并且人们越来越努力地将设备“连接”到生物学上，例如通过血糖仪或可获取生物学信息的健身追踪器。“但是，很少有电子设备向另一个方向通信以提供指导生物学反应的线索的例子。这种能力可能为应用设备更好地对抗癌症等疾病或指导炎症反应促进伤口愈合提供潜力。”
应用他们的方法，该团队证明了控制基因表达以诱导细菌运动的能力-被称为“细菌游泳”-并建立了一个细胞信息中继，其中一组细菌解释电子信号并将信息传递给另一组组改变其基因表达。
研究小组的电路依赖于大多数生物系统(包括人体)中普遍存在的氧化还原信号传导过程。氧化还原过程涉及保护人体免受氧化损伤，例如当人暴露在明亮的阳光下时。
宾利说：“就像我们的身体一样，细菌已经适应了避免氧化损伤的方法。”“我们的团队设计了细菌细胞来解释氧气的信号传导过程，并且我们已经开发了一种遗传电路，该电路依赖于相关的分子线索来激活程序化的响应。”
为了指导指导细胞功能的蛋白质的产生，Bentley和他的团队(包括该论文的第一作者，IBBR研究人员和BIOE校友Tanya Tschirhart(博士15年))通过使用pyyocyanin(Pyo)进入了这一过程，具有氧化和还原其他分子以进行基因诱导的能力的代谢物和分子信号。为了以这种方式利用Pyo，Bentley的团队正在与大肠杆菌中的氧化还原响应性调节剂一起感应和响应氧化应激。这使团队能够“打开”或“关闭”基因表达，或者特别是所表达基因的蛋白质生产。
通过电子控制另一种氧化还原分子铁氰化物的氧化态，Bentley的团队甚至能够放大大肠杆菌中蛋白质水平的特定增加或减少。他们的努力首次证明了使用生物学上相关的氧化还原分子将电子信号转化为工程细菌基因表达变化的实用性。此外，他们已经表明，可以使电子激活的细胞向邻近细胞发送天然的生物信号分子，从而最终控制其行为。通过这种方式，可以对该组的电生成设备进行“编程”，以控制“远程”生物学行为。
与以前的合成生物学工作不同，Bentley的小组进行了最少的细胞“重组”，以利用天然的氧化还原相互作用，并深入了解其作为生物电子通信介体的发展作用。
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