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基于光遺傳工程化細(xì)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(xué)院沈陽自動化研究所獲悉，該所類生命機(jī)器人研發(fā)團(tuán)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(jī)電系統(tǒng)深度融合的類生命機(jī)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(xì)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(gòu)建了類生命視覺感知成像系統(tǒng)，為研發(fā)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(xì)胞的類生命光電晶體管》為題在線發(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。

科研人員通過在普通人胚胎腎上皮細(xì)胞（HEK293）異源表達(dá)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(xì)胞，其光感知過程與人眼視網(wǎng)膜受體感知光子的原理相似，即光誘導(dǎo)離子通道打開進(jìn)而促使細(xì)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(gòu)建了無損、高通量的工程化細(xì)胞和機(jī)電系統(tǒng)的物理融合和信息檢測接口。據(jù)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(xì)胞起到了晶體管柵極的作用，其光門控作用可調(diào)控單層石墨烯溝道的電導(dǎo)特性；石墨烯將生物細(xì)胞光誘導(dǎo)跨膜電流進(jìn)行耦合并轉(zhuǎn)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(qiáng)信息。

據(jù)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(shù)量級的電流響應(yīng)以及更寬的動態(tài)響應(yīng)范圍。光遺傳工程化細(xì)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(diào)控作用，隨細(xì)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(yīng)性能研究還發(fā)現(xiàn)，該器件具有良好的響應(yīng)重復(fù)性，具備穩(wěn)定的開關(guān)響應(yīng)和可忽略的遲滯現(xiàn)象，常溫開關(guān)比和光響應(yīng)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(yīng)時間優(yōu)勢，可達(dá)到25 ms。

基于這些優(yōu)勢，科研人員還進(jìn)一步利用該類生命光電晶體管構(gòu)建了視覺感知成像系統(tǒng)。已有研究報道證明，視網(wǎng)膜的視細(xì)胞將感知的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，通過外側(cè)膝狀體傳遞到初級視覺皮層，視覺皮層即可產(chǎn)生灰度圖像。在所搭建的視覺感知成像系統(tǒng)中，光遺傳工程化細(xì)胞相當(dāng)于視網(wǎng)膜的視細(xì)胞，將由光強(qiáng)編碼的視覺信息轉(zhuǎn)換為跨膜電信號，其中的非生物成分相當(dāng)于外側(cè)膝狀體，將細(xì)胞跨膜生物電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并通過后端的信號采集系統(tǒng)和計算實現(xiàn)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假體提供了新思路和新方法。“類生命機(jī)器人的研究理念和設(shè)計是傳統(tǒng)仿生學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，未來仿生學(xué)的研究將不限于對生物形態(tài)和功能的模仿，還將通過生命材料與機(jī)電系統(tǒng)的深度融合，充分利用生命系統(tǒng)固有的功能優(yōu)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