科闻天下浏览完毕

重新浏览
推荐科闻天下

新型生物计算机 在纸上“打印”活细胞

2021-04-08 15:29:43      点击:21    评论:0      来源:重庆科技报

目前,西班牙庞培·法布拉大学生物医学应用合成生物学研究团队的西拉·莫加斯·迪兹、伊娃·冈萨雷斯·弗洛和哈维尔·梅西等人,通过纸上细胞打印,制造出了能完成计算任务的细胞设备。这台“生物计算机”,能够在纸上打印活细胞,并且操作简单、可以低成本工业化生产,拥有广泛的潜在应用前景。

普通计算机用途有限

尽管计算机系统能力突出,并且在日常生活中已经普及,但它们作为生物标记处理以及识别某些疾病的用途却非常有限。因此,科学家们一直在尝试开发能够检测多种标记、并产生复杂反应的活细胞设备——“生物计算机”。

“生物计算机”与主板和内存不同的是,生物计算机用活细胞制造,不使用电力,而是使用来自蛋白质或者DNA等分子的化学输入来处理数据。

之前的生物计算机过于复杂,很难脱离实验室环境进行操作,仅能在特定条件下、有限时间内,由分子生物学专家进行操控。而最新研发出的能够将活细胞“打印”在纸上的新型设备则突破了这些限制,它可以在任何环境使用,甚至令人难以置信的是,这些保存在纸上的细胞仍然能够继续正常的新陈代谢,释放生物信号传递到邻近的细胞。并且,一旦第一个细胞被编程,培育数十亿个相同的细胞就很容易,因此成本很低,也更加精准可靠。

新设备成本低且操作简单

研究人员以不同类型的细胞作为墨水,与营养物质一起打印出设备电路。由于活性细胞在纸上处于被困状态,保留了自身功能,所以它们能够继续生长,并释放信号。在纸上完成打印,不仅能压低设备价格,还能增加设备的工业用途适应性,促进其批量化生产。西拉·莫加斯·迪兹说:“我们想设计一个可扩展生物计算机模型,其原理基于类似打印T恤衫的打印系统,我们用图纸制作模具,使用不同细胞墨水浸泡,就像缓冲器一样,细胞打印在纸张上,也能随之沉积下来。”这种纸上装置的一大优点在于,它能在冰箱中储存相当长一段时间。

并且,该生物计算机的工作原理也很简单:生物设备中的每一个元件都是一组细胞(比如细菌),研究人员通过最小尺度的基因修饰,使其能够检测不同信号。细胞在纸上相互交流、整合信号,并根据检测到的不同信号组合产生相应反应。细胞元素并没有发生变化,而是根据纸上图案改变自身的空间排列,从而行使不同功能。研究人员哈维尔·梅西说:“细胞排列顺序是软件,细胞是硬件,而纸张则是承载细胞的物理基质。”

预计可投入多种实际应用

由于研究人员希望生物计算机能够投入实际应用,该研究团队已设计出能够测量各种不同参数的生物传感器。

其中一种为可依据重金属浓度来显示点数量多少的汞测试方法。与其他现有系统相比,新设备可以直观地读取汞含量,无需依赖实验室专用设备。

另一种是正在开发的可用于污染水的霍乱检测系统。西拉·莫加斯·迪兹说:“存在霍乱风险的定居点,通常既没有实验室,也没有生化专家。因此,我们希望开发一种能够就地使用的技术,来解决霍乱检测难题。”

此外,还可用于识别复杂生物标记组合,例如医护人员无法通过单一标记检测的先兆子癫风险。这实际是一个复杂的诊断过程,因为它不依赖于单一的生物标记,而是多个生物标记的组合。生物计算机可以分析这些不同的生物标记,并确定孕妇患有该疾病的风险。

哈维尔·梅西总结道:“关于生物设备,我们还有很多工作要做。初步研究结果证实,新技术可能有助于研制基于活细胞设备的新一代生活产品,促进活体设备的商业化。”(本报综合)

关键词: