7 月 1 日訊息，據瑞士媒體 Robohub 報道，近日，美國哈佛大學 Wyss 研究所和麻省理工學院的一組研究人員發現一種將合成生物學中的生物反應嵌入織物的方法，他們稱之為可穿戴冷凍乾燥無細胞合成生物學（wFDCF）技術，然後製造出了可定製的可穿戴生物感測器，該感測器可以檢測病原體和毒素並提醒佩戴者。

wFDCF 技術主要是利用無細胞合成生物學技術。無細胞合成生物學技術的核心是利用細胞資源，在體外開發環境實現基因轉錄、蛋白質翻譯等過程。

該團隊已將 wFDCF 技術以及其他生物技術整合到標準口罩中，以檢測患者呼吸的氣體中是否存在 SARS-CoV-2 病毒。佩戴者按下按鈕啟用口罩後，口罩中的感測器可在 90 分鐘內給出結果

該研究論文題目為《用於生物分子檢測的帶有嵌入式合成生物感測器可穿戴材料（Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection）》，於 6 月 28 日發表在《自然・生物技術（Nature Biotechnology）》上。

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一、wFDCF 技術製作生物感測器，穩定簡單

大多數人將“可穿戴”一詞與健身追蹤器、智慧手錶或無線耳機聯絡在一起。但是，如果將尖端生物技術融入人的衣服中，並在人接觸到危險物品時發出警告會怎樣。

該研究共同第一作者，Wyss 研究所的研究科學家彼得・阮（Peter Nguyen）博士說，其他團隊已經創造了可以感知生物分子的可穿戴裝置，但是這些都需要將活細胞放入可穿戴裝置本身，就像使用者戴著一個小水族箱一樣。如果那個“水族箱”壞了，裡面的東西可能漏到佩戴者身上，沒有人喜歡這個想法。

阮和他的隊友開始研究他們的 wFDCF 技術是否可以解決這個問題，並陸續在 100 多種不同種類織物上進行了測試。

wFDCF 技術是在論文資深作者、Wyss 研究所核心成員吉姆・柯林斯（Jim Collins）早期研究成果的基礎上，進行迭代優化後實現的。

wFDCF 技術涉及提取、冷凍並乾燥細胞，來讀取細胞 DNA，進而產生 RNA 和蛋白質的分子機制，這些生物元素在很長一段時間內都是穩定的，啟用它們很簡單，只需加水。

研究人員首先將 wFDCF 技術應用於診斷，將其整合到用於檢測 2015 年爆發的寨卡病毒的工具中。他們製造了生物感測器，可以檢測病原體 RNA 分子，並將它們與有色或熒光指示蛋白結合，然後在紙上嵌入遺傳電路，造出便宜、準確、便攜的生物感測器。此種生物感測器通過響應目標分子的存在而產生可檢測訊號，可作為診斷工具。在成功將生物感測器嵌入紙張後，研究人員將目光投向了可穿戴裝置。

二、三個生物反應實現病毒蛋白片段切割，完成檢測

該研究的共同第一作者路易斯・森克森（Luis Soenksen）說：“我們想為全球抗擊疫情事業作出貢獻，提出將 wFDCF 整合到口罩中，以檢測 SARS-CoV-2 的想法。整個專案從 2020 年 5 月開始，在檢疫或嚴格的社會隔離條件下完成。我們努力工作，有時將非生物裝置帶回家並手動組裝裝置。這與我們習慣的實驗室工作環境完全不同，但我們所做的一切都幫助我們確保感測器能夠在現實世界疫情環境下工作。”

該團隊呼籲用他們 Wyss 研究所的全部資源，來製造 COVID-19 檢測口罩，包括彭寅（Peng Yin）實驗室開發的立足點開關（toehold switches）和柯林斯實驗室開發的 SHERLOCK 感測器。最終產品由三種不同的凍幹生物反應組成，通過按一下按鈕從生物感測器內建儲液池中釋放水來依次啟用這些反應。

第一個生物反應是切開 SARS-CoV-2 病毒的膜以暴露其 RNA。第二個反應是一個擴增步驟，從病毒 RNA 中生成大量冠狀病毒結構蛋白之一的 Spike 蛋白編碼基因的複製雙鏈。最後的反應使用基於 CRISPR 基因編輯技術研究出的 SHERLOCK 技術，來檢測任何 Spike 蛋白基因片段，作為響應，將探針分子切成兩個較小的片段，然後通過橫向流動測定進行報告。是否有任何可切割的 Spike 蛋白片段取決於患者呼吸中是否有 SARS-CoV-2 病毒。這種差異反映在裝置讀數部分就是出現的簡單線條圖案變化，類似於家庭妊娠試驗。

▲ 當存在 SARS-CoV-2 顆粒時，wFDCF 系統會切斷分子鍵，從而改變讀數條中形成的線條數量。

三、wFDCF 口罩準確率媲美新冠病毒黃金檢測標準

wFDCF 口罩是首個在室溫下完全執行，無需加熱或冷卻儀器，並允許在實驗室外快速篩查患者樣本的 SARS-CoV-2 核酸檢測裝置，並且準確率可與當前的標準 RT-PCR 檢測手段相媲美。

柯林斯說：“這項工作表明，我們的冷凍乾燥無細胞合成生物學技術可以擴充套件到可穿戴裝置，並用於新型診斷應用，包括檢測口罩的開發。我對我們的團隊在疫情期間如何團結在一起，建立有可行性的解決方案來應對世界上的一些測試或挑戰感到特別自豪。”

檢測口罩在某些方面對團隊來說是錦上添花，他們必須克服許多挑戰才能使他們的技術真正可穿戴，包括在靈活、不顯眼的裝置中捕獲液體物質的液滴並防止蒸發。檢測口罩省略了一些電子元件，易於製造且低成本，為更多永久性元件整合到系統中開闢了廣泛的可能應用。

在他們的論文中，研究人員證明，可以將光纜網路整合到他們的 wFCDF 技術中，以檢測生物反應產生的熒光，從而以高精度檢測目標分子。這種數字訊號可以傳送到智慧手機應用程式，讓佩戴者能夠監控他們接觸大量物質時的情況。

論文合著者妮娜・東希亞（Nina Donghia）說：“這項技術可以被嵌入到研究危險材料或病原體的科學家的實驗室外套上、醫生和護士的手術服上，或者可能接觸危險病原體或毒素（如神經毒氣）的急救人員和軍事人員的制服上。”

結語：可穿戴裝置實現越來越多靈活方便地檢測

研究人員在實驗室中已經成功實現利用 wFCDF 技術來檢測病毒等危險物體，距離商業應用然後真正走進人們生活可能還需要一段時間。但是為可穿戴裝置可以實現的健康功能又增加了一項新的檢測手段。

隨著人們對健康的重視程度變高，智慧可穿戴裝置配備越來越多的健康功能。這些功能的實現，使部分健康指標的檢測不需要人們專門去醫院進行檢查，利用可穿戴裝置人們可以隨時隨地進行身體指標的監測檢查。