基于光遺傳工程化細胞的類(lèi)生命光電晶體管用于視覺(jué)感知成像

記者從中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所獲悉，該所類(lèi)生命機器人研發(fā)團隊聯(lián)合清華大學(xué)和香港大學(xué)科研伙伴，在基于生命-機電系統深度融合的類(lèi)生命機器人研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，研發(fā)了一種以光遺傳工程化細胞為生物光敏感元件、以單層石墨烯為生物電子界面的類(lèi)生命光電晶體管，并將其作為核心光電傳感單元構建了類(lèi)生命視覺(jué)感知成像系統，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胞的類(lèi)生命光電晶體管》為題在線(xiàn)發(fā)表在國際知名學(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(guò)程與人眼視網(wǎng)膜受體感知光子的原理相似，即光誘導離子通道打開(kāi)進(jìn)而促使細胞去極化，并產(chǎn)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(wú)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(yáng)自動(dòng)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(mén)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(jìn)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(guò)來(lái)表征光強信息。

據介紹，光敏離子通道蛋白的融入，使類(lèi)生命光電晶體管具有高出一個(gè)數量級的電流響應以及更寬的動(dòng)態(tài)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(guò)光電響應性能研究還發(fā)現，該器件具有良好的響應重復性，具備穩定的開(kāi)關(guān)響應和可忽略的遲滯現象，常溫開(kāi)關(guān)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(lèi)生命光電晶體管具有顯著(zhù)的響應時(shí)間優(yōu)勢，可達到25 ms。

基于這些優(yōu)勢，科研人員還進(jìn)一步利用該類(lèi)生命光電晶體管構建了視覺(jué)感知成像系統。已有研究報道證明，視網(wǎng)膜的視細胞將感知的光強信息轉換為電脈沖信號，通過(guò)外側膝狀體傳遞到初級視覺(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)感知成像系統中，光遺傳工程化細胞相當于視網(wǎng)膜的視細胞，將由光強編碼的視覺(jué)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(jìn)行轉換，并通過(guò)后端的信號采集系統和計算實(shí)現灰度圖像的重建。

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?！邦?lèi)生命機器人的研究理念和設計是傳統仿生學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)仿生學(xué)的研究將不限于對生物形態(tài)和功能的模仿，還將通過(guò)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(yōu)勢?！鄙蜿?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