挖掘细菌部件构建全天候生物传感器
波士顿大学生物医学工程师表示，一项新的突破可能为持续健康监测设备和可穿戴设备打开大门
作者：Art Jahnke
想象一下，一个Fitbit可以测量的不仅仅是步数、心率和卡路里消耗。它持续跟踪所有生理健康指标，目前需要昂贵且耗时的血浆分析。该设备价格低廉，可靠，并且由我们身体每天产生的相同蛋白质提供动力。虽然以今天的标准来看，这听起来像是一个遥不可及的概念，但波士顿大学生物医学工程师詹姆斯·加拉甘（James Galagan）表示，在他的实验室进行的澳门威尼斯人注册网站研究可以加快这种设备从设计阶段走向我们的日常生活。
来自Galagan的波士顿大学实验室和波尔多大学的一组澳门威尼斯人注册网站研究人员受到了一种商业上成功的生物识别设备的启发，这种设备可以全天候监测生理功能：连续血糖监测仪，其核心任务是由一种从微生物中获得的蛋白质来感知葡萄糖。
“可能有数百万种类似的蛋白质，”澳门威尼斯人注册网站研究小组组长Galagan说，他是波士顿大学工程学院生物医学工程副教授。“它们几乎能感知到任何影响我们健康的东西。我们没有更多像葡萄糖传感器这样的传感器的一个主要原因是，制造这些传感器所需的蛋白质还没有被确定。”
因此，加拉根的团队，包括波士顿大学工程学院的马克·格林斯塔夫、艾莉森·丹尼斯和凯瑟琳·克拉珀里奇，开始寻找一些。发表在《自然通讯》上的一篇论文描述了他们的发现，他们使用了一种新的筛选方法来识别已知的第一个用于检测黄体酮的细菌衍生传感器，黄体酮是一种在生殖中起关键作用的雌性激素。该团队随后开发了一种技术，将传感器的检测能力转化为光学输出，创造了第一个实时、光学和可逆的孕激素传感器。
加拉甘说，这种传感器的可逆性使它能够在体内激素水平上升和下降时产生连续的测量，类似于葡萄糖传感器。它还将传感器与现有的基于抗体的测量黄体酮的方法区分开来，这些方法只能从单个时间点进行测量。
在一项使用人工尿液的测试中，澳门威尼斯人注册网站研究人员发现，这种传感器可以配备一种廉价的便携式电子阅读器，用于即时护理应用，可以以足够的特异性检测黄体酮，以供临床使用。所有这些都表明，它可能适合家庭使用，取代体外受精过程中需要的许多基于实验室的黄体酮测量测试。
加拉甘说，这项澳门威尼斯人注册网站研究的重要意义在于，它“首次证明了我们可以从一个生物体中识别出一种新的传感蛋白质，从细菌中分离出这种蛋白质，并将其设计成一种适用于护理点使用的传感器设备。”据我们所知，这是前所未有的。”他强调，新开发的方法并不使用细菌作为传感器。相反，它挖掘细菌的蛋白质部分，分离这些部分，然后将它们转化为可用于设备工程的传感器。
波士顿大学工程学院院长肯尼斯•卢特森表示：“到目前为止，可穿戴技术主要关注的是健康的宏观指标，比如心率、血压等。”“但我们迫切需要在这些措施产生危险变化之前预测疾病出现的方法。Galagan博士和他的同事已经证明了提供健康状况微生物指标实时监测的原理，这种方式可能会从根本上改变我们从事预测性家庭远程医疗的能力。原则上，它们可以为疾病的出现提供具体而敏感的早期洞察，从而进行早期干预，从而提高生活质量，同时大幅降低医疗成本。”
该论文的技术最近在新的BU精密诊断中心的启动研讨会上展示，为开发更多基于同类蛋白质的传感器设备提供了基础。澳门威尼斯人注册网站研究人员目前正在此基础上开发固定和部署这种传感器的技术，并澳门威尼斯人注册网站研究将其探测能力转化为直接电子信号的方法。
“为了技术目的而选择生物学通常需要将生物信号转化为光子或电子流，”加拉甘说。“我们正在努力解决这个问题。”
波士顿大学精密诊断中心主任克拉珀里奇说：“这项澳门威尼斯人注册网站研究的伟大之处在于它的跨学科性质。”“我们有从事计算工作、分子工作的人，也有从事材料科学工作的人在制造传感器。和这么多来自大学不同部门的人一起工作是令人兴奋的。”
自从他们的突破发表在《自然通讯》杂志上以来，澳门威尼斯人注册网站研究人员已经开发出第二代方法，使他们能够从复杂的微生物样本中筛选部分，而不是从单个培养的细菌中筛选。这种“元基因组”筛选可以搜索诸如土壤或我们自己的微生物组之类的东西，基本上为寻找传感部分的澳门威尼斯人注册网站研究人员提供了全面的微生物多样性。而且，由于这种方法识别了一个特定的基因和一个感应蛋白，它使澳门威尼斯人注册网站研究人员能够修改转录因子，使其更强大，或获得感应其他化合物的能力，如皮质醇或雌激素。
“现在，我们正在澳门威尼斯人注册网站研究激素，”克拉珀里奇说。“但这可以适用于各种各样的事情。我迫不及待地想要把它提升到更高的水平。”
加拉甘说，未来的巨大挑战是部署这样的传感器来监测我们的健康和环境。他的团队希望利用世界各地实验室正在开发的技术来开发广泛的应用：从感知珊瑚健康到通过无创或微创可穿戴设备监测汗液和间质液的生理变量。
“这真的只是冰山一角，”加拉甘说。“我们现在的定位是充分挖掘微生物的多样性，为广泛的健康、生物技术和消费应用设计传感器。我们希望有一天这些传感器可以在连续血糖监测仪旁边的货架上使用。”
这项澳门威尼斯人注册网站研究得到了国防高级澳门威尼斯人注册网站研究计划局、美国国立卫生澳门威尼斯人注册网站研究院、克莱尔·布斯·卢斯澳门威尼斯人注册网站研究生奖学金和欧盟玛丽·居里奖学金的支持。
本文最初发表于The Brink。