以下文章經The Conversation許可轉載，該網站是一份涵蓋最新研究的線上出版物。
微電子技術改變了我們的生活。手機、耳機、起搏器、除顫器——所有這些以及更多都依賴於微電子技術非常小的電子設計和元件。微電子技術改變了我們收集、處理和傳輸資訊的方式。
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然而，此類裝置很少能提供進入我們生物世界的途徑；存在技術差距。我們不能簡單地將手機連線到皮膚上就期望獲得健康資訊。例如，是否存在感染？涉及哪種型別的細菌或病毒？我們也不能對手機進行程式設計來製造和輸送抗生素，即使我們知道病原體是葡萄球菌還是鏈球菌。當您想讓生物世界與電子世界進行通訊時，就會出現翻譯問題。
我們剛剛與《自然通訊》雜誌的同事一起發表的研究使我們更接近於彌合這一通訊差距。我們沒有依賴通常的分子訊號（如激素或營養物質）來控制細胞的基因表達，而是在細菌細胞中建立了一個識別電子的合成“開關”系統。這項新技術——電子與生物學之間的聯絡——最終可能使我們能夠對手機或其他微電子裝置進行程式設計，以自主檢測和治療疾病。
與電子而非分子通訊
科學家在嘗試將微電子裝置與生物系統連線時遇到的障礙之一與資訊流有關。在生物學中，幾乎所有的活動都是透過諸如葡萄糖、腎上腺素、膽固醇和胰島素等分子在細胞和組織之間的轉移來實現的。感染細菌會分泌分子毒素，並使用分子受體附著在我們的皮膚上。為了治療感染，我們需要檢測這些分子以識別細菌，辨別它們的活動並確定如何最好地做出反應。
微電子裝置不使用分子處理資訊。微電子裝置通常具有矽、金、諸如硼或磷之類的化學物質以及提供電子的能量源。它們本身不太適合與活細胞進行分子通訊。
自由電子在生物系統中不存在，因此幾乎沒有辦法與微電子連線。然而，有一小類分子可以穩定地傳遞電子。這些被稱為“氧化還原”分子；它們可以傳輸電子，有點像電線一樣。不同之處在於，在電線中，電子可以自由流向任何位置；氧化還原分子必須進行化學反應——氧化或還原反應——才能“傳遞”電子。
開啟和關閉細胞
利用氧化還原分子的電子性質，我們對細菌進行了基因工程改造，使其能夠對這些分子做出反應。我們專注於可以由微電子裝置的電極“程式設計”的氧化還原分子。該裝置會切換分子的氧化態——要麼被氧化（失去電子），要麼被還原（獲得電子）。電子由電子學中典型的能量源（如電池）提供。
我們希望我們的細菌細胞由於施加的電壓而“開啟”和“關閉”——該電壓氧化了一種天然存在的氧化還原分子，綠膿菌素。
透過電氧化綠膿菌素，我們可以控制我們工程改造的細胞，開啟或關閉它們，使它們合成（或不合成）熒光蛋白。我們可以快速識別這些細胞中發生的事情，因為該蛋白質會發出綠色的色調。
在另一個例子中，我們製造了在開啟時會從靜止位置遊動的細菌。細菌通常以被稱為“奔跑”或“翻滾”的啟動和停止方式遊動。“奔跑”確保它們沿直線路徑移動。當它們“翻滾”時，它們基本上保持在一個位置。一種稱為 CheZ 的蛋白質控制著細菌遊動活動的“奔跑”部分。我們的電遺傳開關開啟了 CheZ 的合成，因此細菌可以向前移動。
我們還能夠對細胞群發出電訊號，以表現出集體行為。我們製造了帶有開關的細胞，這些開關控制著一種訊號分子的合成，該訊號分子會擴散到附近的細胞，進而導致其行為發生變化。電流開啟了細胞，這些細胞反過來又“程式設計”了一個天然的生物訊號過程，以改變附近細胞的行為。我們利用了細菌群體感應——一種天然過程，其中細菌細胞與附近的細胞“對話”，而細胞集合的行為方式有益於整個群體。
也許更有趣的是，我們的小組表明我們既可以開啟基因表達，也可以關閉基因表達。透過反轉電極上的極性，被氧化的綠膿菌素會變成還原狀態——其非活性形式。然後，被開啟的細胞經過工程改造，可以快速恢復到其原始狀態。透過這種方式，該小組證明了可以重複迴圈電氣程式設計行為的開啟和關閉能力。
有趣的是，綠膿菌素實現的開啟和關閉開關相當微弱。透過包含另一種氧化還原分子，鐵氰化物，我們找到了一種放大整個系統的方法，從而使基因表達非常強烈，再次開啟和關閉。整個系統穩定、可重複，並且不會對細胞產生負面影響。
在細胞水平上感知和響應
有了這一進步，裝置有可能透過電刺激細菌來製造治療藥物並將其輸送到病灶。例如，想象一下吞下一個小型微電子膠囊，該膠囊可以記錄您胃腸道中病原體的存在，並且還包含可以製造抗菌劑或其他療法的活細菌工廠——所有這些都在可程式設計的自主系統中。
目前的研究與馬里蘭大學之前的工作有關，研究人員在其中發現了透過感知生物環境來“記錄”生物資訊的方式，並基於當前情況，將電子“寫入”裝置。我們和我們的同事從電極“傳送”氧化還原分子，讓這些分子與電極附近的微環境相互作用，然後將它們拉回電極，以便它們可以告知裝置它們所看到的情況。這種“分子通訊”模式有點類似於聲納，其中使用氧化還原分子代替聲波。
這些分子通訊工作被用於識別病原體、監測精神分裂症患者血液水平的“壓力”，甚至確定紅髮人黑色素的差異。近十年來，馬里蘭團隊開發了利用氧化還原分子透過電化學直接將資訊寫入裝置來詢問生物學的方法。
也許現在是時候整合這些技術了：使用分子通訊來感知生物功能並將資訊傳輸到裝置。然後使用該裝置——也許是一個小膠囊，甚至可能是手機——來程式設計細菌以製造化學物質和其他化合物，從而向生物系統發出新的指令。這聽起來可能很奇妙，距離實際應用還有很多年，但我們的團隊正在努力研究這種有價值的應用……敬請期待！
本文最初發表在The Conversation上。閱讀原文。