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基于光遺傳工程化細(xì)胞的類生命光電晶體管用于視覺(jué)感知成像

記者從中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所獲悉，該所類生命機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華大學(xué)和香港大學(xué)科研伙伴，在基于生命-機(jī)電系統(tǒng)深度融合的類生命機(jī)器人研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，研發(fā)了一種以光遺傳工程化細(xì)胞為生物光敏感元件、以單層石墨烯為生物電子界面的類生命光電晶體管，并將其作為核心光電傳感單元構(gòu)建了類生命視覺(jué)感知成像系統(tǒng)，為研發(fā)具有高性能和良好生物兼容性的新型視覺(jué)假體提供了新思路和新方法。1月30日，該研究成果以《基于光遺傳工程化活細(xì)胞的類生命光電晶體管》為題在線發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《生物傳感器和生物電子學(xué)》上。

科研人員通過(guò)在普通人胚胎腎上皮細(xì)胞（HEK293）異源表達(dá)光敏感跨膜離子通道蛋白（ChR2）獲得了作為生物光敏感元件的光遺傳工程化細(xì)胞，其光感知過(guò)程與人眼視網(wǎng)膜受體感知光子的原理相似，即光誘導(dǎo)離子通道打開(kāi)進(jìn)而促使細(xì)胞去極化，并產(chǎn)生生物電信號(hào)。為了檢測(cè)微弱的生物電信號(hào)，選擇了石墨烯這一具備高載流子遷移率的生物兼容性材料，構(gòu)建了無(wú)損、高通量的工程化細(xì)胞和機(jī)電系統(tǒng)的物理融合和信息檢測(cè)接口。據(jù)該論文第一作者、沈陽(yáng)自動(dòng)化所博士研究生楊佳介紹，光遺傳工程化細(xì)胞起到了晶體管柵極的作用，其光門(mén)控作用可調(diào)控單層石墨烯溝道的電導(dǎo)特性；石墨烯將生物細(xì)胞光誘導(dǎo)跨膜電流進(jìn)行耦合并轉(zhuǎn)換為晶體管器件的電流輸出，該輸出電流可以反過(guò)來(lái)表征光強(qiáng)信息。

據(jù)介紹，光敏離子通道蛋白的融入，使類生命光電晶體管具有高出一個(gè)數(shù)量級(jí)的電流響應(yīng)以及更寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍。光遺傳工程化細(xì)胞作為該器件的核心成分，其接種密度對(duì)器件輸出電流具有調(diào)控作用，隨細(xì)胞接種密度的增加，器件的輸出電流逐漸增加并趨于飽和。通過(guò)光電響應(yīng)性能研究還發(fā)現(xiàn)，該器件具有良好的響應(yīng)重復(fù)性，具備穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)響應(yīng)和可忽略的遲滯現(xiàn)象，常溫開(kāi)關(guān)比和光響應(yīng)度分別為197.5和1.37 mA W-1。與其他基于生物光敏元件的光電探測(cè)器相比較，該類生命光電晶體管具有顯著的響應(yīng)時(shí)間優(yōu)勢(shì)，可達(dá)到25 ms。

基于這些優(yōu)勢(shì)，科研人員還進(jìn)一步利用該類生命光電晶體管構(gòu)建了視覺(jué)感知成像系統(tǒng)。已有研究報(bào)道證明，視網(wǎng)膜的視細(xì)胞將感知的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，通過(guò)外側(cè)膝狀體傳遞到初級(jí)視覺(jué)皮層，視覺(jué)皮層即可產(chǎn)生灰度圖像。在所搭建的視覺(jué)感知成像系統(tǒng)中，光遺傳工程化細(xì)胞相當(dāng)于視網(wǎng)膜的視細(xì)胞，將由光強(qiáng)編碼的視覺(jué)信息轉(zhuǎn)換為跨膜電信號(hào)，其中的非生物成分相當(dāng)于外側(cè)膝狀體，將細(xì)胞跨膜生物電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并通過(guò)后端的信號(hào)采集系統(tǒng)和計(jì)算實(shí)現(xiàn)灰度圖像的重建。

該研究證明了直接利用生命材料進(jìn)行視覺(jué)感知的可能性，也為研發(fā)具有高性能和良好生物兼容性的新型視覺(jué)假體提供了新思路和新方法。“類生命機(jī)器人的研究理念和設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)仿生學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)仿生學(xué)的研究將不限于對(duì)生物形態(tài)和功能的模仿，還將通過(guò)生命材料與機(jī)電系統(tǒng)的深度融合，充分利用生命系統(tǒng)固有的功能優(yōu)勢(shì)。”沈陽(yáng)自動(dòng)化所劉連慶研究員表示。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0956566321000877