马萨诸塞大学阿默斯特分校的科学家最近宣布发明了一种纳米线，比人类头发细1万倍，可以通过普通细菌廉价生长，并可以调节“闻”大量的化学示踪剂，包括患有哮喘和肾病等不同疾病的人释放的化学示踪剂。成千上万的这种经过特殊调整的电线，每根都能嗅出不同的化学物质，可以分层安装在微小的可穿戴传感器上，为医疗保健提供者提供了监测潜在健康并发症的前所未有的工具。由于这些纳米线是由细菌生长的，所以它们是有机的、可生物降解的，比任何无机纳米线都要环保得多。

为了取得这些突破，马萨诸塞大学阿默斯特分校微生物学杰出教授Derek Lovley和马萨诸塞大学阿默斯特分校工程学院电气和计算机工程教授Jun Yao只需看看自己的鼻子就可以了。《生物传感器和生物电学》杂志对此进行了详细报道。“人类的鼻子有数百个感受器，每个感受器都对一种特定的分子敏感，”姚说。“它们比任何可以设计的机械或化学设备都要灵敏和有效得多。我们想知道如何利用生物设计本身，而不是依赖于合成材料。”

换句话说，研究小组想知道他们是否可以与大自然合作来嗅出疾病——结果证明他们已经做到了。

答案要从一种被称为硫还原地杆菌的细菌开始，洛夫利和姚以前用它来制造一种生物膜，能够从你的汗液中产生长期、持续的电能。G.硫还原剂具有惊人的天然能力，可以生长出微小的导电纳米线。

但是G. sulphreducens是一种挑剔的细菌，需要特定的条件才能生长，这使得它很难大规模使用。“我们所做的，”Lovley说，“是从G. sulreducens中提取一种叫做pilin的‘纳米线基因’，并将其拼接到大肠杆菌的DNA中，大肠杆菌是世界上分布最广泛的细菌之一。”

一旦从G. sulphreducens中去除pilin基因，Lovley、Yao和团队对其进行了修改，使其包含一种被称为DLESFL的特定肽，这种肽对氨极其敏感，氨是一种经常存在于肾病患者呼吸中的化学物质。当他们将修饰过的绒毛蛋白基因拼接到大肠杆菌的DNA中时，经过基因调整的细菌长出了微小的纳米线，上面布满了氨传感肽。然后，研究小组收集了这些氨敏感纳米线，并将其制成传感器。

该论文的共同第一作者、马萨诸塞大学阿默斯特分校微生物学博士后Yassir Lekbach说:“对纳米线进行基因改造后，它们对氨的反应比原来强100倍。”“与之前描述的用传统硅或金属纳米线制造的传感器相比，微生物制造的纳米线作为传感器的功能要好得多。”

没有必要将这些新的传感器限制在氨和肾脏疾病上。该论文的另一位共同主要作者、马萨诸塞大学阿默斯特分校微生物学研究教授Toshiyuki Ueki说:“设计独特的多肽是可能的，每个多肽都专门结合一个感兴趣的分子。因此，随着人体释放的更多针对特定疾病的示踪分子被识别出来，我们可以制造出包含数百种不同化学嗅探纳米线的传感器，来监测各种健康状况。”

电气工程的新范式

传统的由硅或碳纤维制成的纳米线可能是剧毒的(碳纳米管本身就是致癌物)，并最终成为不可生物降解的电子垃圾。他们的原材料需要大量的能源和化学投入来收获和加工，并对环境产生深远的影响。但由于洛夫利和姚的纳米线是从普通细菌中培养出来的，它们的可持续性要高得多。

Yao说:“这一研究领域最令人兴奋的事情之一是，我们将电气工程带到了一个全新的方向。这些蛋白质纳米线的美妙之处在于，你可以利用生命的基因设计来构建一个稳定、多功能、低影响和低成本的平台，而不是由无法生物降解的稀缺原材料制成的金属丝。”

这项研究得到了美国国家科学基金会的支持，并由马萨诸塞大学阿默斯特分校应用生命科学研究所(als)培育，该研究所结合了来自29个部门的深厚和跨学科专业知识，将基础研究转化为有益于人类健康和福祉的创新。