互动科普

生物事主芯片

David Pescovitz

一种传感器能在数秒钟内检测出生物袭击。

速度是成功地控制生物攻击的关键所在。快速识别出事主以及怎样处治那些如感染者是控制疾病爆发以前将其危害减到最低限度的关键。含有芯片实验室（laboratory-on-a-chìp）的便携装置可能正是上述问题的答案。生物学、化学以及微制造技术的突破性成果，令这种仪器可以立即提醒研究人员注意到空气中哪怕是最细微的炭瘟或天花迹象。

虽然有关制造这类生物传感器的建议成堆，但是在不到两分钟时间内识别一种特定的生物事主，并在给定仅仅只有几个细胞的样本条件下要完成这样的任务是困难的。麻省理工学院林肯实验室生物传感器技术集团经理Mark A. Hollis说"许多疾病都和流感一样厉害，在一个或几个粒子水平条件下就可感染你。"该集团和麻省理工学院生物学家Jianzhu Chen与其同事进行合作，希望在1年半时间内开发出一种原型生物传感器。此项工作是国防高级研究项目署耗资2400万美元为期4年的组织基础传感器项目的一部分，该项目大约资助十多家大学和私人公司的研究工作。

老鼠B细胞为该装置提供能量。B细胞是免疫系统的一部分，B细胞束缚到特定感染粒子上在其表面上表现为抗体。例如，绝大多数的人都携带有针对感冒、脊髓灰质炎、破伤风和其他疾病的病原体的B细胞。当B细胞束缚到入侵者上的时候，形成识别的过程，细胞内就发生系列生物化学反应，刺激身体免疫系统整装待发以投入防御战斗。Hollis认为，"我们人类的遗传机制大约已演化了6至8亿年，自然已令其可以识别感染事主。"

Hollis的同事们-一批基因工程师为了证实B细胞是一种特别的生物战试剂，进行了不同寻常的受基础生物学尊敬的收集资料的工作。为了证实B细胞的确参与了活动，研究人员将B细胞插入另一个基因之中，该基因来自于水母（多管水母属），它能使具有生物发光水母素蛋白的水母发光。在钙离子的剌激下，水母素立即发光，而钙离子是生物事主在B细胞内诱发系列生化反应时而产生的。从检测到生物发光的整个过程耗时不到1秒，人类任何手工活动都没有这么快。

其他方法已达到了B细胞的速度或灵敏度，但不能同时达到两个方面的要求。Hollis说，用包含20多个有机物的原始样本为基础，利用生物事主的聚合酸链反应技术的分析记录是12分钟左右。免疫测定技术亦采用了抗体捕捉方法，接近了必要的速度要求，但缺乏敏感度:要鉴别出生物事主，样本至少包括数千个有机物的复本。Hollis指出，"仅仅一个感染粒子就足以诱导B细胞，因为这是自然设计的结果，这是完美的灵敏系统。"

目前，该生物传感器是一种25平方毫米的塑料芯片，一条弯弯曲曲的流程线穿行其中。1至2平方毫米的贴片包含1万个克为一种事主设计的B细胞，置于通道的表面。严格的营养，加上室温气候使细胞保持原有状态，自然阻止其分裂。就是在饥饿和寒冷的条件下，它们亦能完成任务。

林肯实验室还开发了精致的微射流技术，该技术通过通道控制样本和营养载体，象在摄录机中见到的电荷耦合器（CCD）能检测出哪怕是一个被剌激的B细胞。基于每个样本5至10个粒子的识别已进行标示，Hollis希望在更少数量的情况下检测致命的生物事主不会出什么问题。

该传感器的性能也是相当强大的，同B细胞传统的体内环境比较而言，排气、尘埃和其他污染物使工作环境相当恶劣，但却不会诱导细胞作出错误的反应。"你的血液中有大量的物质，这曲物质被设计得只对它们所企图的病毒作出反应，而不对其他东西作出反应，"Hollis如是说，他指出为军事目的而开发的以B细胞为基础的相同生物传感技术可能被医生用于快速病毒识别。

Hollis研究规划的最后一个大问题——细胞在剌激后是否复原状，可能在该集团的便携生物传感器的最新改进型中不再是问题，拟议的光电盒可能读出由交流和处理生物传感器芯片发出的光子，该盒子仅花费几美元。Hollis说，"如果你遭到生物袭击，你可能拿出该芯片并送向华盛顿以求证实。"情况可能就是这样简单。

[冉隆华/译  曹书朝/校]