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感測器/MEMS  

生物學家積極培育「活」電路

上網時間: 2014年12月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:基因工程  細胞  生物電路  基因  感測器 

基因工程」選殖分子細胞並直接改變其基因,使其得以執行不同於本性最初所預設的功能。最近一種新的研究趨勢是利用電路重新設計分子細胞——這些生物電路能以自然發生的方式將細胞連接電路,使其執行新的功能,例如修補因帕金森氏症破壞的多巴胺產生細胞。

「我們的最終目標是針對複雜的醫療應用,例如在血液中注入電路尋找癌細胞,並在找到癌細胞後注射藥物,」美國麻省理工學院(MIT)教授Domitilla Del Vecchio表示,「這種電路需要一個是感測器、電腦以及一個注射藥物的致動器元件,而這些就是目前我們正在努力開發的元件。」

酵母菌(中)就像電子元件般的互連在一起
酵母菌(中)就像電子元件般的互連在一起,只不過這些細胞並非透過電線交流,而是經由僅能以適當接受器注入細胞的化學藥物進行互動。
(來源:MIT)

其他可能的應用包括合成生物電路,用於持續為糖尿病患者測量血糖濃度,以及在需要時釋放胰島素。

相較於設計電路,這種生物電路的設計過程較緩慢且更困難。首先,研究人員並非使用神經進行通訊。相反地,他們利用的是自然生物細胞內的一般通訊方式,透過「產出」分泌一種只對「輸入」細胞造成影響的化學藥物。

其次是用來建模所需電路的數學演算法。研究人員無法利用像歐姆定律(Ohm's Law)那樣簡單的RLC公式,而是必須使用像微分方程式等繁瑣的數學。「生物電路是非線性的,因此我們必須使用微分方程來建模,」Del Vecchio說。

許多疾病似乎都無法透過對症下藥的簡單方式治癒,因為他們需要的是更複雜的療程,包括主動式感測、運算與響應。根據MIT的研究人員們表示,最佳方式就是在體內培植可執行這些功能的細胞,而不是採用像以往研究人員們試圖透過人工神經網路加以連接的方式。

MIT研究人員
從左到右:MIT生物工程學教授Ron Weiss、機械工程學副教授Domitilla Del Vecchio,以及MIT生物工程系學生Deepak Mishra。
(來源:MIT)

「除了神經細胞,生物系統中還有多種類型的電路,例如,控制基因表現的基因電路以及控制生物時鐘功能的細胞,例如早上何時起床等,」Del Vecchio說。

截至目前為止,研究團隊在設計電路時主要都以感知用途為主,無論是使用酵母菌或細菌細胞等。「細菌細胞更易於操作,因為細菌沒有難以處理的細胞核。」

最後再加上負載驅動能力,就能夠使該團隊的創新夢想成真。負載驅動器可為訊號來源與發送訊號之間提供緩衝作用,避免訊號受到延遲影響以及導致不可預測的結果。

MIT生物工程學博士候選人Deepak Mishra、機械工程系碩士研究生Phillip Rivera,以及電子工程與電腦科學系研碩士研究生Allen Lin均共同參與了這項研究。Eni-MIT能源研究獎學金、美國國家科學基金會(NSF)、美國陸軍研究辦公室、美國空軍科學研究辦公室以及美國國立衛生研究院共同贊助這項研究。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Biologists Grow Living Circuits,by R. Colin Johnson)





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