'จมูกอิเล็กทรอนิกส์' ที่สร้างขึ้นด้วยสายนาโนของจุลินทรีย์ที่มาจากแหล่งที่ยั่งยืน ซึ่งสามารถปฏิวัติการตรวจสุขภาพได้

เพื่อสร้างความก้าวหน้าเหล่านี้ซึ่งมีรายละเอียดอยู่ในวารสารBiosensors and Bioelectricsผู้เขียนอาวุโส Derek Lovley ศาสตราจารย์ด้านจุลชีววิทยาดีเด่นที่ UMass Amherst และ Jun Yao ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ในวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์ที่ UMass Amherst จำเป็นต้องดู ไม่ไกลเกินจมูกของพวกเขาเอง " จมูก ของมนุษย์มีตัวรับหลายร้อยตัว แต่ละตัวไวต่อโมเลกุลเฉพาะหนึ่งตัว" เหยากล่าว "อุปกรณ์เหล่านี้มีความไวและมีประสิทธิภาพมากกว่าอุปกรณ์เชิงกลหรือสารเคมีใดๆ ที่สามารถออกแบบทางวิศวกรรมได้ เราสงสัยว่าเราจะใช้ประโยชน์จากการออกแบบทางชีววิทยาได้อย่างไรแทนที่จะพึ่งพาวัสดุสังเคราะห์" กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ทีมงานสงสัยว่าพวกเขาสามารถทำงานร่วมกับธรรมชาติเพื่อดมกลิ่นโรคได้หรือไม่ และปรากฎว่าพวกเขาทำได้แค่นั้น คำตอบเริ่มต้นด้วยแบคทีเรียที่รู้จักกันในชื่อGeobacter sulfurreducensซึ่งก่อนหน้านี้ Lovley และ Yao ใช้ในการสร้างแผ่นชีวะที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่องในระยะยาวจากเหงื่อของคุณ G. sulfurreducens ' มีความสามารถตามธรรมชาติที่น่าประหลาดใจในการสร้างสายนาโนขนาดเล็กที่นำไฟฟ้าได้ แต่G. sulfurreducensเป็นแบคทีเรียที่จู้จี้จุกจิกซึ่งต้องการสภาวะเฉพาะในการเติบโต ทำให้ยากต่อการใช้งานในปริมาณมาก "สิ่งที่เราได้ทำไปแล้ว" เลิฟลีย์กล่าว "คือการนำ 'ยีนเส้นลวดนาโน' ซึ่งเรียกว่าพิลิน ออกจากG. sulfurreducensและต่อเข้ากับ DNA ของEscherichia coliซึ่งเป็นหนึ่งในแบคทีเรียที่แพร่หลายมากที่สุดในโลก " เมื่อถอดยีนพิลินออกจากG. sulfurreducensแล้ว Lovley, Yao และทีมได้แก้ไขเพื่อให้มีเปปไทด์เฉพาะที่เรียกว่า DLESFL ซึ่งไวต่อแอมโมเนียมาก ซึ่งเป็นสารเคมีที่มักพบในลมหายใจของผู้ที่มีไต โรค. เมื่อพวกเขาต่อยีนพิลินที่ดัดแปลงเข้ากับ DNA ของ E. coliแบคทีเรียที่ปรับแต่งทางพันธุกรรมจะแตกหน่อสายนาโนขนาดเล็กที่มีเปปไทด์ตรวจจับแอมโมเนีย ทีมงานจึงเก็บเกี่ยวเส้นลวดนาโนที่ไวต่อแอมโมเนียและสร้างเป็นเซ็นเซอร์ Yassir Lekbach ผู้เขียนร่วมของหนังสือพิมพ์และนักวิจัยหลังปริญญาเอกด้านจุลชีววิทยาของ UMass Amherst กล่าวว่า "การดัดแปลงพันธุกรรมของเส้นลวดนาโนทำให้พวกมันตอบสนองต่อแอมโมเนียมากกว่าเดิมถึง 100 เท่า" "เส้นลวดนาโนที่ผลิตโดยจุลชีพทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์ได้ดีกว่าเซ็นเซอร์ที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ที่ประดิษฐ์ขึ้นด้วยซิลิคอนแบบดั้งเดิมหรือลวดนาโนโลหะ" และไม่จำเป็นต้องจำกัดเซ็นเซอร์ใหม่เหล่านี้เฉพาะกับแอมโมเนียและโรคไตเท่านั้น Toshiyuki Ueki ผู้เขียนร่วมคนอื่น ๆ ของบทความนี้และศาสตราจารย์วิจัยด้านจุลชีววิทยาที่ UMass Amherst กล่าวว่า "เป็นไปได้ที่จะออกแบบเปปไทด์ที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งแต่ละเปปไทด์จับกับโมเลกุลที่สนใจโดยเฉพาะ ดังนั้น ยิ่งมีโมเลกุลติดตามมากขึ้น ร่างกายจึงปล่อยออกมา และแบบเฉพาะเจาะจงสำหรับแต่ละโรค เราสามารถสร้างเซ็นเซอร์ที่ประกอบด้วยเส้นลวดนาโนที่ใช้ดมกลิ่นสารเคมีหลายร้อยแบบ เพื่อตรวจติดตามสภาวะสุขภาพทุกประเภท" กระบวนทัศน์ใหม่สำหรับวิศวกรรมไฟฟ้า สายนาโนแบบดั้งเดิมที่ทำจากซิลิกอนหรือคาร์บอนไฟเบอร์สามารถเป็นพิษได้สูง ท่อนาโนคาร์บอนเป็นตัวก่อมะเร็ง และจบลงด้วยการเป็นขยะอิเล็กทรอนิกส์ที่ย่อยสลายไม่ได้ วัตถุดิบของพวกเขาอาจต้องใช้พลังงานและสารเคมีจำนวนมหาศาลในการเก็บเกี่ยวและแปรรูป อีกทั้งยังส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างลึกซึ้ง แต่เนื่องจากเส้นลวดนาโนของ Lovley และ Yao เติบโตจากแบคทีเรียทั่วไป จึงมีความยั่งยืนมากกว่ามาก "สิ่งหนึ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดเกี่ยวกับงานวิจัยนี้" เหยากล่าว "คือเรากำลังนำวิศวกรรมไฟฟ้าไปสู่ทิศทางใหม่โดยพื้นฐาน แทนที่จะใช้สายไฟที่ทำจากทรัพยากรดิบที่หายากซึ่งจะไม่ย่อยสลายทางชีวภาพ ความสวยงามของสิ่งเหล่านี้ สายนาโนโปรตีนคือคุณสามารถใช้การออกแบบทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตเพื่อสร้างแพลตฟอร์มที่เสถียร หลากหลาย ผลกระทบต่ำ และคุ้มค่า" งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนโดย National Science Foundation และดูแลโดย Institute for Applied Life Sciences (IALS) ที่ UMass Amherst ซึ่งรวมความเชี่ยวชาญเชิงลึกและสหวิทยาการจาก 29 แผนกเพื่อแปลงงานวิจัยพื้นฐานให้เป็นนวัตกรรมที่เป็นประโยชน์ต่อสุขภาพและความเป็นอยู่ที่ดีของมนุษย์