《自然·生物医学工程》魏大程团队提出“分子机电系统”实现精准生物检测

生命体中与健康相关的一些标志物丰度，特别是在某些疾病早期，往往很低。在复杂的生物液体中检测痕量标志物会受到大量背景物质的干扰。因此，实现生物液体中的精准检测对于生物研究、精准医疗和疾病早期诊断具有重要意义。微机电系统(MEMS)将微米级机械组件与微电子芯片集成，把机械、化学、生物等信号转换为电信号，具有高集成、价格低廉等特点，已经实现了广泛的商业应用。纳米机电系统(NEMS)将组件尺寸进一步缩小到纳米量级，在降低成本、体积和功耗的同时极大提高了灵敏度，通过与场效应晶体管等功能元件的集成实现了生物传感应用。然而，与微/纳米机电系统相比，生物体对某些环境信号的响应过程由一些生物分子精准操纵，往往具有高于人工系统的传感性能。因此，开发具有更高精准度的机电系统对于实现痕量生物标志物检测具有重要意义。

复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室魏大程课题组长期致力于研究新型晶体管材料、器件及其在生物、化学和光电传感等领域的应用。近日，魏大程团队提出了“分子机电系统”(MolEMS)，即一种DNA分子自组装而成，通过外电场驱动，能精准调控分子识别和信号转化过程的微型装置(图1)。将分子机电系统组装到石墨烯场效应晶体管上，其刚性底座有助于避免污染物的非特异性吸附；外电场驱动柔性适配体悬臂发生运动，传感过程更加接近晶体管沟道，显著提升了灵敏度。在缓冲液或生物液体中，实现了金属离子(Hg²⁺)、蛋白质(Thrombin)、生物小分子(ATP)以及新冠病毒核酸(RNA和cDNA)的超灵敏检测。检测新冠病毒核酸样本不需要复杂耗时的核酸提取和扩增过程，检出限最低达10～20拷贝每毫升，检测时间小于4分钟，优于现有新冠核酸PCR检测方法。

图1. (a)微/纳米机电系统示意图；(b)分子机电系统示意图；(c-e)基于分子机电系统的晶体管传感器及芯片图片；(g-f)传感芯片的共聚焦荧光显微镜和原子力显微镜表征图片。

相对于微/纳米机电系统，分子机电系统实现了对传感过程更加精准的调控，为构筑高精度人造功能系统、实现痕量生物标志物检测应用提供了新思路。日前，该成果以“在未扩增样本中快速、超灵敏机电检测离子、生物分子和新冠病毒RNA”（Rapid and ultrasensitive electromechanical detection of ions, biomolecules and SARS-CoV-2 RNA in unamplified samples）为题发表于《自然生物医学工程》（NatureBiomedical Engineering, 2022, https://doi.org/10.1038/s41551-021-00833-7）。复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室和高分子科学系分别为论文第一和第二单位；复旦大学魏大程主持了该研究项目；复旦大学王丽倩博士、王学军博士、吴云根博士生、郭明权博士为共同第一作者；复旦大学朱召芹副研究员为共同通讯作者，为该研究提供了临床样本支持；复旦大学刘云圻院士、谢幼华教授、上海交通大学樊春海院士等参与了该研究。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委，复旦大学和聚合物分子工程国家重点实验室的合力支持。

图2.魏大程课题组合影。

课题组主页：www.weigroupfudan.com

论文链接：www.nature.com/articles/s41551-021-00833-7