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基于光遺傳工程化細胞的類生命光電晶體管用于視覺感知成像
記者從中國科學院沈陽自動化研究所獲悉，該所類生命機器人研發團隊聯合清華大學和香港大學科研伙伴，在基于生命-機電系統深度融合的類生命機器人研究領域取得新進展，研發了一種以光遺傳工程化細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建了類生命視覺感知成像系統，為研發具有高性能和良好生物兼容性的新型視覺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胞的類生命光電晶體管》為題在線發表在國際知名學術期刊《生物傳感器和生物電子學》上。
科研人員通過在普通人胚胎腎上皮細胞（HEK293）異源表達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胞，其光感知過程與人眼視網膜受體感知光子的原理相似，即光誘導離子通道打開進而促使細胞去極化，并產生生物電信號。為了檢測微弱的生物電信號，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，構建了無損、高通量的工程化細胞和機電系統的物理融合和信息檢測接口。據該論文第一作者、沈陽自動化所博士研究生楊佳介紹，光遺傳工程化細胞起到了晶體管柵極的作用，其光門控作用可調控單層石墨烯溝道的電導特性；石墨烯將生物細胞光誘導跨膜電流進行耦合并轉換為晶體管器件的電流輸出，該輸出電流可以反過來表征光強信息。
據介紹，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數量級的電流響應以及更寬的動態響應范圍。光遺傳工程化細胞作為該器件的核心成分，其接種密度對器件輸出電流具有調控作用，隨細胞接種密度的增加，器件的輸出電流逐漸增加并趨于飽和。通過光電響應性能研究還發現，該器件具有良好的響應重復性，具備穩定的開關響應和可忽略的遲滯現象，常溫開關比和光響應度分別為197.5和1.37 mA W-1。與其他基于生物光敏元件的光電探測器相比較，該類生命光電晶體管具有顯著的響應時間優勢，可達到25 ms。
基于這些優勢，科研人員還進一步利用該類生命光電晶體管構建了視覺感知成像系統。已有研究報道證明，視網膜的視細胞將感知的光強信息轉換為電脈沖信號，通過外側膝狀體傳遞到初級視覺皮層，視覺皮層即可產生灰度圖像。在所搭建的視覺感知成像系統中，光遺傳工程化細胞相當于視網膜的視細胞，將由光強編碼的視覺信息轉換為跨膜電信號，其中的非生物成分相當于外側膝狀體，將細胞跨膜生物電信號進行轉換，并通過后端的信號采集系統和計算實現灰度圖像的重建。
該研究證明了直接利用生命材料進行視覺感知的可能性，也為研發具有高性能和良好生物兼容性的新型視覺假體提供了新思路和新方法。“類生命機器人的研究理念和設計是傳統仿生學的進一步發展，未來仿生學的研究將不限于對生物形態和功能的模仿，還將通過生命材料與機電系統的深度融合，充分利用生命系統固有的功能優勢。”沈陽自動化所劉連慶研究員表示。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0956566321000877
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號