Advanced Material | 繼“柔性電子”后的“活性電子”新時(shí)代
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院神經(jīng)工程中心李光林老師領(lǐng)導(dǎo)下的劉志遠(yuǎn)研究員、李青松副研究員,與合成所材料合成生物學(xué)研究中心戴卓君研究員合作,在國(guó)際材料學(xué)界頂級(jí)期刊Advanced Materials上發(fā)表文章“Living Synthelectronics: A New Era for Bioelectronics Powered by Synthetic Biology”。系統(tǒng)論述了“活性電子”器件新研究范式的興起及其所面臨的挑戰(zhàn),有望進(jìn)一步推動(dòng)“活性電子”器件新范式的開辟。

論文截圖
此前,戴卓君研究員與劉志遠(yuǎn)研究員合作在?Nature Chemical Biology?發(fā)表題為“Programmable Living Material Generated by Bacterial Assembly”?的文章,創(chuàng)新性地提出一種全新的可快速自愈的活體材料構(gòu)建思路,并將其應(yīng)用于“活性電極”的加工制備與應(yīng)用,成功實(shí)現(xiàn)了用活體菌監(jiān)測(cè)人體電生理信號(hào),初步嘗試生物技術(shù)(BT)+信息技術(shù)(IT)的融合。
生物電子學(xué)是一門結(jié)合了生物學(xué)和電子學(xué)的學(xué)科,旨在開發(fā)與生物系統(tǒng)相互作用的電子器件和系統(tǒng)。近年來(lái),隨著柔性可拉伸電子器件的發(fā)展,生物電子學(xué)已經(jīng)在醫(yī)療診斷、健康監(jiān)測(cè)和神經(jīng)科學(xué)研究等領(lǐng)域帶來(lái)了許多創(chuàng)新和應(yīng)用。然而,基于高分子和金屬材料的傳統(tǒng)柔性可拉伸電子器件仍然無(wú)法與動(dòng)態(tài)更新的活體生物組織實(shí)現(xiàn)深度融合。新材料或系統(tǒng)的引入有望跨越活有機(jī)體與“死”電子器件的壁壘開啟柔性可拉伸電子器件/系統(tǒng)的新范式。
合成生物學(xué)是一門綜合性學(xué)科,將工程學(xué)、生物學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域的原理和方法應(yīng)用于設(shè)計(jì)和構(gòu)建新的生物系統(tǒng)、生物部件和生物分子。通過(guò)基因工程、蛋白工程和細(xì)胞工程等技術(shù)手段,合成生物學(xué)使得工程生物體能夠展現(xiàn)出特定的功能,并最大化地發(fā)揮活體生物的功能。合成生物學(xué)具有與生物電子學(xué)相結(jié)合的潛力,可以推動(dòng)新一代柔性可拉伸電子器件和系統(tǒng)的發(fā)展。

圖1 融合生物電子學(xué)與合成生物學(xué)的活體合成電子學(xué)
活性電子(Living Synthelectronics)是在生物電子學(xué)和合成生物學(xué)的交叉領(lǐng)域中涌現(xiàn)的概念。它旨在將合成生物學(xué)的原理和方法與生物電子學(xué)的技術(shù)相結(jié)合,通過(guò)直接將設(shè)計(jì)和構(gòu)建的生物系統(tǒng)、生物部件和生物分子集成到電子器件中,實(shí)現(xiàn)深度融合與交互。這一概念將活體生物視為生物電子器件的一部分,利用合成生物學(xué)的工具和技術(shù)對(duì)生物體進(jìn)行定制化的改造和增強(qiáng),賦予其特定的電子功能和響應(yīng)能力。活性電子的發(fā)展有望帶來(lái)革命性的進(jìn)展,推動(dòng)生物電子系統(tǒng)的智能化和功能化。

圖2 生物電子學(xué)與合成生物學(xué)的層級(jí)結(jié)構(gòu)
與電子學(xué)的層級(jí)結(jié)構(gòu)相似,合成生物學(xué)同樣遵循從基礎(chǔ)材料、簡(jiǎn)單元件、集成電路到系統(tǒng)乃至開放交互體系的理念。這為合成生物學(xué)和生物電子學(xué)在多個(gè)層級(jí)上的交叉提供了機(jī)會(huì),為活性電子學(xué)的發(fā)展帶來(lái)了可能性。在電子學(xué)中,構(gòu)成電子器件的材料主要包含導(dǎo)電材料和絕緣聚合物等。類似地,合成生物學(xué)中的基本材料是氨基酸和核苷酸等,它們是構(gòu)成復(fù)雜有機(jī)體的基礎(chǔ)。簡(jiǎn)單的導(dǎo)電材料可以封裝成二極管等典型的功能電子元件。
在合成生物學(xué)中,基因的遺傳物質(zhì)是承載生物體生存與繁殖的基本功能單元。在電子學(xué)中,多個(gè)簡(jiǎn)單元件可以組合成更復(fù)雜的功能電路。合成生物學(xué)中的工程基因線路也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物體的調(diào)控。就像計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為典型的電子系統(tǒng)代表,單個(gè)工程生物也可以被看作是一個(gè)系統(tǒng),具有感知信號(hào)并做出響應(yīng)的能力。這些系統(tǒng)不局限于感知外部化學(xué)和物理信號(hào)的能力,還可以實(shí)現(xiàn)生物/器械與生物/環(huán)境之間的交互。這種層級(jí)相似性為活性電子學(xué)的發(fā)展提供了機(jī)遇,促使生物學(xué)和電子學(xué)在多個(gè)層級(jí)上相互交叉,為創(chuàng)造具有開放交互體系的活性電子器件提供了可能性。

圖3 工程生物作為材料、傳感模塊或換能模塊的活體合成電子示例
現(xiàn)有部分工作已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以工程生物或其聚集體作為活體單元與傳統(tǒng)電子器件的融合?;诤铣缮飳W(xué)對(duì)細(xì)胞與病毒遺傳物質(zhì)的改造,工程生物體已經(jīng)成功作為活體材料(支架或模板等)、傳感模塊(化學(xué)傳感與刺激響應(yīng)等)或能量轉(zhuǎn)換模塊(半人工光合系統(tǒng)、水伏發(fā)電機(jī)或熱釋電器件等)引入到電子器件中,這些工作為活體電子學(xué)的可行性提供了初步的驗(yàn)證。

圖4活體合成電子學(xué)的展望
活體電子學(xué)的發(fā)展受限于當(dāng)前技術(shù)手段。例如,工程生物抵御外部惡劣環(huán)境的能力有限。相較于傳統(tǒng)傳感器,工程生物對(duì)外界環(huán)境變化的感知速度較慢,大多數(shù)工程生物無(wú)法實(shí)時(shí)感知環(huán)境變化。此外,目前所開發(fā)的生物工具有限,主要集中在對(duì)工程菌體的研究而缺乏真核細(xì)胞(尤其是哺乳動(dòng)物細(xì)胞)的基因工具箱。同時(shí),工程生物體的泄漏可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成無(wú)法估量的破壞。不可否認(rèn)這些挑戰(zhàn)也為電子學(xué)和合成生物學(xué)提供了許多機(jī)遇。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和對(duì)生物系統(tǒng)理解的深入,基于活體工程模式的生物電子學(xué)將在未來(lái)繼續(xù)發(fā)展,為人類的健康和生活帶來(lái)更多益處。
深圳先進(jìn)院客座博士生孫靜(哈爾濱工業(yè)大學(xué)在讀學(xué)生)與國(guó)科大碩士畢業(yè)生現(xiàn)研究助理?xiàng)钊舴矠樵撐恼鹿餐谝蛔髡?,同時(shí)共同作者朱潤(rùn)濤(國(guó)科大在讀博士生)在文章推進(jìn)和修改中做出了重要貢獻(xiàn)。該文章獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等多個(gè)項(xiàng)目的支持。
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