生物聚合物傳感器中的分子開關(guān)由一種蛋白質(zhì)組成，其作用類似于鎖和鑰匙。當(dāng)目標(biāo)分子或病原體（藍色）與開關(guān)結(jié)合時，它會發(fā)現(xiàn)“鎖”，允許分子鍵（紅色）與鎖結(jié)合并形成完整的熒光素酶（綠色）。在螢火蟲和螢火蟲中發(fā)現(xiàn)的熒光素酶可以發(fā)出綠光，表明目標(biāo)的存在和數(shù)量。來源：阿爾弗雷多·基哈諾，華盛頓大學(xué)

塔夫茨大學(xué)工程學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種使用生物聚合物傳感器檢測環(huán)境中的細菌、毒素和危險化學(xué)物質(zhì)的方法，該傳感器可以像墨水一樣打印在各種材料上，包括手套、口罩或日常服裝等可穿戴物品。

生物聚合物傳感器基于計算設(shè)計的蛋白質(zhì)和從蠶蛾Bombyx Mori的繭中提取的絲素蛋白，可以嵌入薄膜，海綿，過濾器或像塑料一樣模制，以采樣和檢測空氣傳播和水傳播的危險，或信號感染甚至我們體內(nèi)的癌癥。

研究人員演示了傳感器在檢測導(dǎo)致 COVID 的 SARS-CoV-2 病毒、抗乙型肝炎病毒抗體、食源性毒素肉毒桿菌神經(jīng)毒素 B 或人表皮生長因子受體 2 （HER2）（乳腺癌存在的指標(biāo)）時如何在幾分鐘內(nèi)發(fā)光。

目前，一旦暴露，傳感器需要用無毒化學(xué)品快速噴灑。如果目標(biāo)存在，則傳感器產(chǎn)生光。發(fā)射光的強度提供了目標(biāo)濃度的定量度量。

“實驗室設(shè)計的蛋白質(zhì)和絲綢的組合是一個傳感器平臺，可以適應(yīng)以高度特異性和靈敏度檢測各種化學(xué)和生物制劑，”塔夫茨大學(xué)工程學(xué)院Frank C. Doble工程教授Fiorenzo Omenetto說，塔夫茨絲綢實驗室主任開發(fā)了生物響應(yīng)材料。“例如，SARS-CoV-2和抗乙型肝炎抗體可以在接近臨床測定的水平上進行測量�！�

傳感元件是模塊化的，因此開發(fā)人員可以交換新設(shè)計的蛋白質(zhì)來捕獲特定的病原體或分子進行測量，而發(fā)光機制保持不變。Omenetto說：“使用傳感器，我們可以拾取微量的空氣傳播的SARS-CoV-2，或者我們可以想象對其進行修改以適應(yīng)下一個公共衛(wèi)生威脅。

他指出，雖然它處于概念階段，但檢測乳腺癌的應(yīng)用特別有趣。他的團隊創(chuàng)造了一種概念驗證的硅膠胸罩墊，當(dāng)佩戴時可以吸收分泌的液體，報告HER2激素的水平，并提供是否存在乳腺癌的指示。“雖然需要進一步開發(fā)來改進和臨床驗證檢測，但在日常服裝中進行這種診斷的機會肯定是引人注目的，”O(jiān)menetto說。

無人機機身嵌入了能夠檢測空氣中SARS-CoV-2的生物聚合物傳感器。在飛行過程中，螺旋槳引導(dǎo)氣流通過無人機的多孔體，如果存在病毒，它會發(fā)光。無人機可以在遠程距離內(nèi)監(jiān)控環(huán)境。來源：Fio Omenetto，塔夫茨大學(xué)絲綢實驗室

傳感器可以呈現(xiàn)出看似無窮無盡的各種形式。為了證明這一點，研究小組創(chuàng)造了病毒傳感無人機，其中的機身嵌入了傳感器材料。在飛行過程中，螺旋槳引導(dǎo)氣流通過無人機的多孔主體，著陸后可以對其進行檢查。在示例中，無人機對空氣傳播的病原體（SARS-CoV-2）做出反應(yīng)，可以從遠程距離監(jiān)測環(huán)境。

生物聚合物傳感器的活性組件由華盛頓大學(xué)（sites.uw.edu/biochemistry/faculty/david-baker/）蛋白質(zhì)設(shè)計研究所的David Baker教授開發(fā)，是一種由蛋白質(zhì)制成的分子開關(guān)，其作用類似于鎖和鑰匙，但帶有蓋子。當(dāng)病毒、毒素或其他目標(biāo)分子靠近時，它會與開關(guān)結(jié)合并打開蓋子。開關(guān)的另一部分 - 分子鑰匙 - 可以裝入鎖中，并且組合形成完整的熒光素酶，類似于點亮螢火蟲和螢火蟲的酶。與傳感器結(jié)合的病毒、毒素或其他化學(xué)物質(zhì)越多，光芒就越亮。

分子發(fā)光開關(guān)嵌入從絲繭中提取的蛋白質(zhì)混合物中，稱為絲素蛋白。絲素蛋白是生物聚合物傳感器的非活性成分，但具有獨特的功能，包括能夠使用水基方法進行加工和制造，以及可制成不同材料（如薄膜、海綿、紡織品）或通過噴墨打印機分散到表面上的非凡多功能性。此外，絲素蛋白穩(wěn)定了分子熒光開關(guān)，并大大延長了其保質(zhì)期。

這些生物聚合物傳感器是測量環(huán)境中病原體或化學(xué)物質(zhì)的其他方法的一大飛躍，這些方法通常依賴于生物成分，這些成分會隨著時間的推移迅速降解，需要小心儲存。傳感器也不依賴于難以集成到柔性可穿戴材料中的電子元件。

塔夫茨大學(xué)的研究人員測試了嵌入SARS-CoV-2傳感器的材料在60攝氏度下儲存四個月后的保質(zhì)期，發(fā)現(xiàn)性能幾乎沒有變化。形狀為海綿的乳腺癌傳感器在室溫下在架子上保存一年，并且仍然接近其原始靈敏度。

“這意味著我們可以長時間制造，分發(fā)和存儲這些傳感接口，而不會失去其靈敏度或準(zhǔn)確性，也不需要冷藏，這是非常了不起的，因為它們是由蛋白質(zhì)制成的，”O(jiān)menetto實驗室的研究生Luciana d'Amone說，他與Giusy Matzeu共同領(lǐng)導(dǎo)了該項目。 塔夫茨絲綢實驗室的研究教授。

這種方法可以使傳感器以不同的格式廣泛使用。“例如，你可以制造能夠檢測病原體的外科口罩，將它們包裝在盒子里，并像傳統(tǒng)口罩一樣隨著時間的推移使用它們，”d'Amone說。“我們還表明，您可以在食品包裝內(nèi)打印傳感器以跟蹤變質(zhì)和毒素。您可以修改我們每天使用的許多產(chǎn)品，包括傳感，并像往常一樣存儲和使用它們。

塔夫茨研究小組設(shè)想了生物聚合物傳感器的應(yīng)用，從醫(yī)療保健環(huán)境中的個人和患者監(jiān)測和感染控制到家庭，工作場所，軍事和災(zāi)難環(huán)境中的環(huán)境傳感。