细胞墨水冲压工艺。
近日，西班牙庞培法布拉大学（PFU）生物医学应用合成生物学研究团队的Sira Mogas-Díez、Eva Gonzalez-Flo和Javier Macía等人，通过纸上细胞打印，制造出了能完成计算任务的细胞设备。这是他们首次开发出能够脱离特定条件并在实验室外使用的活体计算设备。此外，这种“生物计算机”还能以低成本工业化生产。相关论文发表于《自然通讯》杂志。
计算机和平板电脑等设备虽然计算能力突出，但在检测生物标记方面却显得“力不从心”。因此，科学家们一直在尝试开发能够检测多种标记、并产生复杂反应的活细胞设备——“生物计算机”。此前的细胞设备只能在实验室特定条件下、有限时间内由分子生物学专家进行操控，而新型纸上打印细胞设备则突破了这些限制。
研究人员以不同类型的细胞作为墨水，与营养物质一起打印出设备电路。活性细胞在纸上处于被困状态，保留了自身功能。在此，它们能够继续生长，并释放信号。在纸上（或者织物表面）完成打印，不仅能压低设备价格，还能增加设备的工业用途适应性，促进其批量化生产。论文作者Sira Mogas-Díez说，“我们用细胞墨水浸泡模具，用模具将图案印在纸上，这样细胞也随之沉积。”这种纸上装置的一大优点在于，它能在冰箱中储存相当长一段时间。
生物设备中的每一个元件都是一组细胞（比如：细菌），研究人员通过最小尺度的基因修饰，使其能够检测不同信号。细胞在纸上相互交流、整合信号，并根据检测到的不同信号组合产生相应反应。细胞元素并没有发生变化，而是根据纸上图案改变自身的空间排列，从而行使不同功能。研究人员Javier Macía说：“细胞排列顺序是软件，细胞是硬件，而纸张则是承载细胞的物理基质。”
研究人员利用这种新技术设计了多种生物传感器，其中一种可用于汞的检测。与其它现有系统相比，新设备可以直观地读取汞含量，无需依赖实验室专用设备。另一种正在开发的系统可用于污染水的霍乱检测。Sira Mogas-Díez说：“存在霍乱风险的定居点，通常既没有实验室，也没有生化专家。因此，我们希望开发一种能够就地使用的技术，来解决霍乱检测难题。”此外，新型生物设备还可用于识别复杂生物标记组合，例如医护人员无法通过单一标记检测的先兆子癫风险。
Javier Macía总结道：“关于生物设备，我们还有很多工作要做。初步研究结果证实，新技术有望促进活体设备的商业化。”
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编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：陈之涵
期刊来源：《自然通讯》
期刊编号：2041-1723
原文链接：
https://phys.org/news/2021-03-biological-device-capable-cells-paper.html
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