新分子装置的概念图。对于人体外的实验（体外），该装置将嵌套在细胞膜上：当红光激活时，“报告”分子将检测局部电场；当被蓝光激活时，附着的“修饰剂”分子会改变电场。来源：南加州大学的 Katya Kadyshevskaya

仅使用 100 个原子，就可以检测和改变电场

南加州大学维特比分校的研究人员创造了第一个可能能够感应和改变细胞电场的纳米级分子装置，为基础研究带来了新的可能性。

生物电是在我们的细胞之间流动的电流，是我们思考、说话和行走能力的基础。

此外，越来越多的证据表明，记录和改变细胞和组织的生物电场在 伤口愈合 甚至可能对抗癌症和 心脏病等疾病方面发挥着至关重要的作用。

现在，南加州大学维特比工程学院的研究人员第一次创造了一种分子装置，它可以做到这两点：记录和操纵周围的生物电场。

这个三角形装置由两个连接的小分子组成——比病毒小得多，并且与DNA链的直径相似。

它是一种全新的材料，可以“读取和写入”电场，而不会损坏附近的细胞和组织。由短链碳原子连接的两种分子中的每一种都有其独立的功能：一个分子充当“传感器”或检测器，在红光触发时测量局部电场；第二个分子“改性剂”在暴露于蓝光时会产生额外的电子。值得注意的是，每个功能都由不同波长的光独立控制。

虽然不打算用于人类，但有机装置将部分位于细胞膜的内部和外部，用于体外实验。

这项工作发表在材料化学 C 杂志上，由南加州大学维特比教授 Andrea Armani 和 Rehan Kapadia 牵头。主要作者包括 Mork 化学工程与材料科学系博士后研究员 Yingmu Zhang；和Jinghan He，博士。南加州大学化学系的候选人。合著者包括南加州大学维特比博士后研究员 Patrick Saris；和 Hyun Uk Chae 和 Subrata Das 博士 Ming Hsieh电气与计算机工程系的候选人。Armani 实验室负责创造新的有机分子，而 Kapadia 实验室在测试“改性剂”在光激活时发电的效率方面发挥了关键作用。

因为报告分子可以插入组织中，所以它可以非侵入性地测量电场，提供超快速、3-D、高分辨率的神经网络成像。这对于其他研究人员测试新药的效果或压力和氧气等条件的变化可以发挥至关重要的作用。与许多其他以前的工具不同，它不会破坏健康的细胞或组织，也不需要对系统进行基因操作。

“这种多功能成像剂已经与现有的显微镜兼容，”化学工程和材料科学领域的 Ray Irani 主席 Armani 说，“因此它将使从生物学到神经科学再到生理学的广泛研究人员能够提出新的问题。关于生物系统及其对不同刺激的反应的问题类型：药物和环境因素。新的边界是无止境的。”

此外，修饰分子通过改变附近的细胞电场，可以精确地破坏单个点，使未来的研究人员能够确定整个脑细胞或心脏细胞网络的级联效应。

“如果你家里有无线网络，如果其中一个节点变得不稳定会怎样？” 阿玛尼说。“这对您家中的所有其他节点有何影响？他们还工作吗？一旦我们了解了像人体这样的生物系统，我们就可以更好地预测它的反应——或者改变它的反应，例如制造更好的药物来防止不良行为。”

“关键是，”科琳和罗伯托 帕多瓦尼电气和计算机工程早期职业主席卡帕迪亚说，“我们可以用它来询问和操纵。而且我们可以在空间和时间上以非常高的分辨率来做这两件事。”

新有机设备的关键是消除“串扰”的能力。如何让这两种截然不同的分子结合在一起，又不会像两个加扰的无线电信号那样相互干扰？起初，Armani 指出，“这并不是完全显而易见的，它甚至会成为可能。” 解决方案？由长烷基链将两者分开，这不会影响各自的光物理能力。

这种多功能新分子的下一步包括对神经元甚至细菌进行测试。南加州大学的科学家 Moh El-Naggar 是一位合作者，他之前已经证明了微生物群落在细胞之间和相对较长的距离内转移电子的能力——这对收获生物燃料具有巨大的意义。

VMB3000A 研究用三目电脑型生物显微镜

参考文献：

相关推荐： 暗视野观察

“用于电场传感和调制的多功能光响应有机分子”，作者：Yingmu Zhang、Jinghan He、Patrick JG Saris、Hyun Uk Chae、Subrata Das、Rehan Kapadia 和 Andrea M. Armani，2021 年 12 月 8 日，Journal of Materials Chemistry C。
DOI：10.1039/D1TC05065F

这项工作得到了海军研究办公室和陆军研究办公室的支持。

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