像电子设备一样，生物细胞发送和接收信息，但它们通过非常不同的机制进行交流。现在，科学家们报告了克服这种语言障碍的微型通信网络的进展，使得电子可以窃听细胞并改变它们的行为——反之亦然。这些系统的应用包括一种可穿戴设备，可以诊断和治疗细菌感染，或者一种胶囊，可以吞下去跟踪血糖，并在需要时制造胰岛素。
研究人员今天将在美国化学学会(ACS) 2020年秋季虚拟会议和博览会上展示他们的研究结果。
“我们想把电子信息处理扩展到包括生物学，”首席研究员William E. Bentley博士说。“我们的目标是将生物细胞纳入计算决策过程。”
宾利的团队开发的这项新技术依赖于氧化还原介质，它能使电子在电池周围移动。这些小分子通过还原或氧化反应接受或释放电子来进行细胞活动。因为它们还可以与电极交换电子，从而产生电流，氧化还原介质可以在硬件和活体组织之间架起桥梁。在正在进行的工作中，包括联合首席研究员Gregory F. Payne博士在内的团队正在开发接口，以实现这种信息交换，为电子控制细胞行为以及操作电子的细胞反馈开辟道路。
“在会议上我们报道的一个项目中，我们让细胞接收电子生成的信息，并将其作为分子线索进行传输，”Eric VanArsdale说，他是马里兰大学Bentley实验室的研究生，他在会议上展示了最新的研究成果。这些细胞被设计用来检测过氧化氢并对其做出反应。当放置在产生氧化还原介质的带电电极附近时，细胞会产生相应数量的群体感应分子，细菌可以利用该分子相互传递信号，并通过改变基因表达来调节行为。
在最近的另一个项目中，研究小组设计了两种类型的细胞来接收致病性铜绿假单胞菌的分子信息，并将其转化为用于诊断和其他应用的电子信号。一组细胞产生氨基酸酪氨酸，另一组产生酪氨酸酶，将酪氨酸转化为一种叫做L-DOPA的分子。这些细胞经过改造，只有当细菌同时释放一个群体感应分子和一种与铜绿假单胞菌生长毒性阶段相关的毒素时，才会产生这种氧化还原介质。由左旋多巴产生的电流的大小表明了样品中细菌和毒素的数量。如果用于血液测试，该技术可以揭示感染并评估其严重程度。本特利说，因为这些信息是电子的，所以可以无线传输到医生的办公室和病人的手机上，告知他们感染的情况。“最终，我们可以设计出一种可穿戴设备，在检测到感染后为患者提供治疗。”
研究人员设想最终将通信网络整合到人体的自主系统中。例如，糖尿病患者可以吞下一粒含有监控血糖细胞的胶囊。该设备将储存血糖数据，并定期将其发送到手机，手机将解析数据并发回电子信号，指示胶囊中的其他细胞根据需要制造胰岛素。为了实现这一目标，VanArsdale开发了一种生物模拟计算机存储器，利用天然黑色素来存储信息和指挥细胞信号。
在其他工作中，本特利的团队和包括Reza Ghodssi博士在内的合作者最近设计了一个系统来监控工业生物反应器内的条件，该反应器容纳了数千加仑用于药物生产的细胞培养物。目前，制造商通过在每个容器的一侧安装一个探针来追踪氧气水平，而氧气水平对电池的生产效率至关重要。该探测器无法确认生物反应器中每个地方的条件都是一致的，因此研究人员开发了“智能弹珠”，它将在整个容器中循环，测量氧气。弹珠通过蓝牙将数据传输到可调整操作条件的手机上。在未来，这些智能弹珠可以作为一个通讯接口，在生物反应器中检测化学信号，将信息发送到计算机，然后传输电子信号来指导生物反应器中工程细胞的行为。该团队正在与有意将该设计商业化的仪器制造商合作，该设计可用于环境监测和其他用途。
