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装上生物传感器,口罩也能测新冠:可媲美黄金标准

2021-07-01 18:27:23

7 月 1 日消息,据瑞士媒体 Robohub 报道,近日,美国哈佛大学 Wyss 研究所和麻省理工学院的一组研究人员发现一种将合成生物学中的生物反应嵌入织物的方法,他们称之为可穿戴冷冻干燥无细胞合成生物学(wFDCF)技术,然后制造出了可定制的可穿戴生物传感器,该传感器可以检测病原体和毒素并提醒佩戴者。

wFDCF 技术主要是利用无细胞合成生物学技术。无细胞合成生物学技术的核心是利用细胞资源,在体外开发环境实现基因转录、蛋白质翻译等过程。

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该团队已将 wFDCF 技术以及其他生物技术集成到标准口罩中,以检测患者呼吸的气体中是否存在 SARS-CoV-2 病毒。佩戴者按下按钮激活口罩后,口罩中的传感器可在 90 分钟内给出结果,结果准确度可与聚合酶链反应(PCR)等基于核酸的标准检测手段相媲美。

该研究论文题目为《用于生物分子检测的带有嵌入式合成生物传感器可穿戴材料(Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection)》,于 6 月 28 日发表在《自然・生物技术(Nature Biotechnology)》上。

论文链接:点此查看

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一、wFDCF 技术制作生物传感器,稳定简单

大多数人将“可穿戴”一词与健身追踪器、智能手表或无线耳机联系在一起。但是,如果将尖端生物技术融入人的衣服中,并在人接触到危险物品时发出警告会怎样。

该研究共同第一作者,Wyss 研究所的研究科学家彼得・阮(Peter Nguyen)博士说,其他团队已经创造了可以感知生物分子的可穿戴设备,但是这些都需要将活细胞放入可穿戴设备本身,就像用户戴着一个小水族箱一样。如果那个“水族箱”坏了,里面的东西可能漏到佩戴者身上,没有人喜欢这个想法。

阮和他的队友开始研究他们的 wFDCF 技术是否可以解决这个问题,并陆续在 100 多种不同种类织物上进行了测试。

wFDCF 技术是在论文资深作者、Wyss 研究所核心成员吉姆・柯林斯(Jim Collins)早期研究成果的基础上,进行迭代优化后实现的。

wFDCF 技术涉及提取、冷冻并干燥细胞,来读取细胞 DNA,进而产生 RNA 和蛋白质的分子机制,这些生物元素在很长一段时间内都是稳定的,激活它们很简单,只需加水。

研究人员首先将 wFDCF 技术应用于诊断,将其集成到用于检测 2015 年爆发的寨卡病毒的工具中。他们制造了生物传感器,可以检测病原体 RNA 分子,并将它们与有色或荧光指示蛋白结合,然后在纸上嵌入遗传电路,造出便宜、准确、便携的生物传感器。此种生物传感器通过响应目标分子的存在而产生可检测信号,可作为诊断工具。在成功将生物传感器嵌入纸张后,研究人员将目光投向了可穿戴设备。

二、三个生物反应实现病毒蛋白片段切割,完成检测

该研究的共同第一作者路易斯・森克森(Luis Soenksen)说:“我们想为全球抗击疫情事业作出贡献,提出将 wFDCF 集成到口罩中,以检测 SARS-CoV-2 的想法。整个项目从 2020 年 5 月开始,在检疫或严格的社会隔离条件下完成。我们努力工作,有时将非生物设备带回家并手动组装设备。这与我们习惯的实验室工作环境完全不同,但我们所做的一切都帮助我们确保传感器能够在现实世界疫情环境下工作。”

该团队呼吁用他们 Wyss 研究所的全部资源,来制造 COVID-19 检测口罩,包括彭寅(Peng Yin)实验室开发的立足点开关(toehold switches)和柯林斯实验室开发的 SHERLOCK 传感器。最终产品由三种不同的冻干生物反应组成,通过按一下按钮从生物传感器内置储液池中释放水来依次激活这些反应。

第一个生物反应是切开 SARS-CoV-2 病毒的膜以暴露其 RNA。第二个反应是一个扩增步骤,从病毒 RNA 中生成大量冠状病毒结构蛋白之一的 Spike 蛋白编码基因的复制双链。最后的反应使用基于 CRISPR 基因编辑技术研究出的 SHERLOCK 技术,来检测任何 Spike 蛋白基因片段,作为响应,将探针分子切成两个较小的片段,然后通过横向流动测定进行报告。是否有任何可切割的 Spike 蛋白片段取决于患者呼吸中是否有 SARS-CoV-2 病毒。这种差异反映在设备读数部分就是出现的简单线条图案变化,类似于家庭妊娠试验。

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▲ 当存在 SARS-CoV-2 颗粒时,wFDCF 系统会切断分子键,从而改变读数条中形成的线条数量。

三、wFDCF 口罩准确率媲美新冠病毒黄金检测标准

wFDCF 口罩是首个在室温下完全运行,无需加热或冷却仪器,并允许在实验室外快速筛查患者样本的 SARS-CoV-2 核酸检测设备,并且准确率可与当前的标准 RT-PCR 检测手段相媲美

柯林斯说:“这项工作表明,我们的冷冻干燥无细胞合成生物学技术可以扩展到可穿戴设备,并用于新型诊断应用,包括检测口罩的开发。我对我们的团队在疫情期间如何团结在一起,创建有可行性的解决方案来应对世界上的一些测试或挑战感到特别自豪。”

检测口罩在某些方面对团队来说是锦上添花,他们必须克服许多挑战才能使他们的技术真正可穿戴,包括在灵活、不显眼的设备中捕获液体物质的液滴并防止蒸发。检测口罩省略了一些电子元件,易于制造且低成本,为更多永久性元件集成到系统中开辟了广泛的可能应用。

在他们的论文中,研究人员证明,可以将光缆网络集成到他们的 wFCDF 技术中,以检测生物反应产生的荧光,从而以高精度检测目标分子。这种数字信号可以发送到智能手机应用程序,让佩戴者能够监控他们接触大量物质时的情况。

论文合著者妮娜・东希亚(Nina Donghia)说:“这项技术可以被嵌入到研究危险材料或病原体的科学家的实验室外套上、医生和护士的手术服上,或者可能接触危险病原体或毒素(如神经毒气)的急救人员和军事人员的制服上。”

结语:可穿戴设备实现越来越多灵活方便地检测

研究人员在实验室中已经成功实现利用 wFCDF 技术来检测病毒等危险物体,距离商业应用然后真正走进人们生活可能还需要一段时间。但是为可穿戴设备可以实现的健康功能又增加了一项新的检测手段。

随着人们对健康的重视程度变高,智能可穿戴设备配备越来越多的健康功能。这些功能的实现,使部分健康指标的检测不需要人们专门去医院进行检查,利用可穿戴设备人们可以随时随地进行身体指标的监测检查。


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