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Researchers lay out how to control biology with light—without the help of genetics

在过去的五年里,芝加哥大学的化学家田博之一直在研究如何用光控制生物。

一个长期的科学目标是让设备充当研究人员和身体之间的接口,既作为一种了解细胞之间以及细胞内部如何相互沟通的方式,最终也作为一种治疗大脑或神经系统疾病的方法,通过刺激神经来激发或刺激肢体运动。硅是一种用途广泛的生物相容性材料,用于太阳能电池板和外科植入手术,是一种自然的选择。

在4月30日发表在《自然生物医学工程》上的一篇论文中,田的团队提出了一套设计原则,从细胞内的单个细胞器到组织,再到整个肢体,利用硅在三个层次上控制生物。该小组已经在细胞或小鼠模型中证明了每一种方法,包括首次有人在不进行基因改造的情况下利用光来控制行为。

“我们希望这能成为一张地图,在这里你可以决定你想研究哪个问题,并立即找到正确的材料和方法来解决它,”田说,他是化学系的助理教授。

科学家们的地图根据预期任务和规模(从细胞内部到整个动物),列出了制作硅设备的最佳方法。

例如,为了影响单个的脑细胞,硅可以通过释放一种微小的离子电流来对光做出反应,这可以刺激神经元放电。但是为了刺激四肢,科学家们需要一种信号可以传播得更远、更强的系统,比如一种镀金的硅材料,在这种材料中,光会引发化学反应。

植入物的机械性能也很重要。研究人员表示,他们希望用更大的一块大脑,比如皮质,来控制运动。大脑是一种柔软的、黏糊糊的物质,所以它们需要一种同样柔软和灵活的物质,但能紧紧地附着在表面。根据设计原则,他们想要的是薄而带花边的硅。

该团队支持这种方法,因为它不需要基因改造或连接电源,因为硅可以被制成本质上是微型太阳能电池板。(许多其他形式的监测或与大脑的互动都需要有电源供应,让一根电线与病人接触是一种感染风险。)

被光激活的微小的硅纳米线(蓝色)会触发神经元的活动。(蒋元文、田博智提供)

他们在老鼠身上测试了这个概念,发现他们可以通过照射大脑植入物来刺激肢体运动。之前的研究在神经元中测试了这个概念。

“我们对生物学的许多内在问题没有答案,比如单个线粒体是否通过生物电信号进行远程通讯,”论文第一作者蒋元文(音)说,他当时是芝加哥大学的研究生,现在是斯坦福大学的博士后研究员。“这套工具可以解决这类问题,同时也为神经系统疾病的潜在解决方案指明了道路。”

其他芝加哥大学的作者是Assoc。教授。陈锦图、高建民、高晓阳副教授、博士后研究员易建硕、尹芳、高翔、岳继平、蔡秀明、刘兵、尹芳、研究生凯勒安·克勒、维瑟奴·奈尔、爱德华·苏兹洛夫斯基、本科生乔治·弗雷穆斯。

这篇论文的其他研究人员来自西北大学(Northwestern University)、伊利诺伊大学芝加哥分校(University of Illinois at Chicago)和香港理工大学(Hong Kong Polytechnic University)。

引文:“光学控制多尺度生物界面硅结构的合理设计。姜等,《自然生物医学工程》,DOI: 10.1038/s41551-018-0230-1, 2018年4月30日。

资助:美国国立卫生研究院、空军科学研究办公室、国家科学基金会、塞尔学者基金会、弗吉尼亚州和路德维希癌症研究基金会。

新闻英文原版地址:https://news.uchicago.edu/story/researchers-lay-out-how-control-biology-light-without-help-genetics