具有感知和调节细胞生物电场功能的分子器件，可用于药物研究等领域
2022-01-16 10:19:53   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

新型分子器件概念图：体外实验时，该器件将嵌套在细胞膜上：当被红光激发时，“传感器”分子将检测局部电场；当被蓝光激发时，附着的“调节器”分子会调节电场。

仅使用100个原子，就可以检测并改变电场

据麦姆斯咨询报道，近期，美国南加州大学维特比工程学院（USC Viterbi School of Engineering）研究人员发明了第一种具有感知和调节细胞电场功能的纳米级分子器件，为基础研究带来了新的可能性。

生物电，即在细胞之间流动的电流，是我们思考、说话和行走的基础。

此外，越来越多的证据表明，记录和调节细胞与组织的生物电场在伤口愈合，甚至可能在对抗癌症和心脏病等疾病方面发挥着至关重要的作用。

目前，南加州大学维特比工程学院的研究人员首次发明了一种分子器件，它可以同时记录和调节周围的生物电场。该器件由两种相互连接的小分子组成——尺寸比病毒小得多，直径与DNA链近似。

新型分子的化学结构

这种纳米分子是一种全新的材料，可以“读写”电场，而不会损伤附近的细胞和组织。这两种分子中的任一种都是由短碳原子链连接而成，并具有各自独立的功能：一种分子充当传感器或检测器，在被红光激发时将检测局部电场；第二种分子充当调节器，在被蓝光激发时会产生额外的电子。值得注意的是，每个功能都由不同波长的光单独控制。

新型分子的合成路线

虽然该有机器件并不打算直接用于人类，但它将被部分置于细胞膜内外，用于体外实验。

这项研究由南加州大学维特比工程学院的Andrea Armani和Rehan Kapadia教授主持，其研究成果发表于Journal of Materials Chemistry C。该研究成果的主要作者包括莫克化学工程与材料科学系（Mork Department of Chemical Engineering and Material Science）博士后Yingmu Zhang和南加州大学化学系（USC Department of Chemistry）博士研究生Jinghan He；共同作者包括南加州大学维特比工程学院的博士后研究员Patrick Saris以及Ming Hsieh电气与计算机工程系（Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering）博士研究生Hyun Uk Chae、Subrata Das。Armani实验室负责制造这种新型的有机分子，而Kapadia实验室在测试调节器分子被光激发时的光电转化效率方面发挥了重要作用。

新型分子的光吸收和发射特性

新型分子的光电导性

因为传感器分子可以嵌入组织，所以它有可能以非侵入方式测量电场，以提供超快、三维、高分辨率的神经网络成像。这对其他研究人员测试新药的效果或压力和氧气等条件的变化起着至关重要的作用。与以前的许多其他工具不同，它不会损害健康细胞或组织，也无需对系统进行基因操作。

“这种多功能显像剂已经与现有显微镜兼容。”化学工程与材料科学系的Ray Irani主席Armani说，“因此，它将使众多研究人员——从生物学到神经科学再到生理学——能够就生物系统及其对不同刺激（药物和环境因素）的反应提出新的问题。研究是永无止境的。”

此外，调节器分子通过改变细胞附近的电场，可以精确地破坏某一位点，使未来的研究人员能够确定整个（比如）脑细胞或心脏细胞网络的级联效应。

“如果您家中有无线网络，其中一个节点如果变得不稳定，会发生什么情况？”Armani说到，“这对您家中的所有其他节点有何影响？他们还工作吗？一旦我们了解了像人体这样的生物系统，我们就可以更好地预测它的反应——或者改变它的反应，例如通过制造更好的药物来预防不良反应的发生。”

在电气与计算机工程系担任Colleen和Roberto Padovani早期职业主席的Kapadia说：“关键在于，我们可以利用这种分子器件检测和调节细胞生物电场。我们可以在非常高的分辨率下做这两件事——无论是在空间上还是时间上。”

这种新型有机器件的关键在于消除“串扰”的能力。如何让这两种截然不同的分子结合在一起，又不会像两个加扰的无线电信号那样相互干扰？Armani一开始认为“这完全是不可能的。”解决方案是什么？通过一条长烷基链将两者分开，这样不会影响两者的光物理性能。

这种多功能新型分子的下一步应用包括对神经元甚至细菌的测试。南加州大学的科学家Moh El-Naggar是本项研究的合作者，他此前已经证明了微生物群落具有在细胞之间以及在相对较长的距离内传递电子的能力，这对收集生物燃料具有巨大的意义。

这项工作得到了美国海军研究办公室和美国陆军研究办公室的支持。

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