传感器技术利用大自然的蓝图和机器来监测体内的新陈代谢

生命的基本功能由一组称为代谢物的化合物提供动力，这些化合物参与了每一个自然过程，包括产生能量、调节细胞活动和保持身体系统的平衡。追踪这些分子为了解许多疾病的发病和状态、整体健康状况、对治疗的反应以及生物系统的复杂运作提供了一个窗口

然而，今天的代谢物传感方法不足。大多数依赖于资源密集型的实验室测试，这些测试只能从分离的样本中提供简短的快照。能够连续跟踪代谢物的少数传感器在很大程度上仅限于检测血糖

加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所（CNSI）领导的一个跨学科研究小组可能已经克服了这些局限性。在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，研究人员展示了一种基于自然生化过程的传感器技术，该技术能够从多种选择中同时连续可靠地测量多种代谢物

“为了了解代谢物如何影响生物过程或反映健康，我们需要根据我们的特定兴趣监测不同组的代谢物，”资深通讯作者Sam Emaminejad说，他是加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院电气和计算机工程副教授，也是CNSI成员

“因此，我们的目标是开发一种传感器平台，可以应用于各种代谢物，同时确保在体内的可靠运行——为此，我们利用了自然代谢过程。”

他认为这项技术不是对质谱等当前基于实验室的方法的替代，而是一种补充工具。科学家们可以继续使用质谱仪来识别潜在的感兴趣的化合物，然后使用传感器在生命系统中监测它们

传感器触发化学反应，以扩大检测到的代谢物的范围

传感器内置在由称为单壁碳纳米管的微小圆柱体制成的电极上。这些电极的功能类似于微型生物化学实验室，使用酶和称为辅因子的辅助分子来执行反映身体代谢过程的反应。根据目标代谢物的不同，传感器要么直接检测到它，要么首先通过一系列中间酶反应将其转化为可检测的形式

检测是通过特异性催化电子交换反应的酶进行的。在电极表面，这些反应会产生电流，可以测量电流以确定代谢物水平。与此同时，其他酶通过中和干扰分子来并行工作，以防止错误信号，就像酶如何为我们体内的物质排毒一样

为了反映这种顺序和并行运行多个反应的能力，研究小组将他们的技术称为“基于串联代谢反应的传感器”，简称TMR传感器

Emaminejad说：“几十年的研究绘制了将代谢物与特定酶反应联系起来的自然代谢途径。”。“通过使精心挑选的酶和辅因子适应不同的功能，我们的电极复制了这些复杂的反应，能够可靠地检测到比传统传感器更广泛的代谢物。”

“稳健性来自进化本身——经过数千万年精练的酶和辅助因子具有高度敏感性、特异性和稳定性。我们正在利用大自然自己的蓝图和分子机制来追踪它们所维持的生化过程。“

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传统的酶传感器大多支持没有辅因子的单步反应。通过加入辅因子，TMR传感器可以直接检测800多种代谢物，只需一个转换步骤，即可覆盖人体三分之二以上的代谢物。

该研究的共同第一作者、加州大学洛杉矶分校的博士后Xuanbing Cheng说：“TMR电极具有高性能生物传感的额外特殊功能。”Emaminejad互连和集成生物电子实验室的ral学者。

“它由单壁碳纳米管制成，为负载酶和辅因子提供了较大的活性区域。反应在低电压下有效发生，减少了不希望的副反应，同时最大限度地提高了酶活性的利用率。这使我们能够在广泛的应用中实现极高的信噪比测量。“

在一系列实验中，研究人员证明了该技术能够连续、高灵敏度地测量12种临床重要代谢物的样本集。该团队测量了接受癫痫治疗的患者和患有类似糖尿病并发症的个体的汗液和唾液样本中的代谢物。研究人员还检测到大脑中一种肠道细菌衍生的代谢物，如果积聚，可能会导致神经系统疾病。

代谢物传感器在健康、研究和工业中的潜在应用

传感器在不同生物环境中跟踪各种代谢物的能力为人类健康和科学发现打开了新的大门。它们可以通过实现早期、精确的诊断和针对个体独特代谢的定制治疗来改变代谢和心血管疾病的护理。该技术还可以通过跟踪身体的代谢方式来优化健身和运动表现在不同条件下释放能量

在药物开发中，传感器可以实时了解治疗方法如何影响代谢途径——从评估通过抑制酶活性阻止肿瘤生长的癌症药物到跟踪细菌代谢产物以优化抗生素

除了医学，这些传感器还可以通过提供持续的反馈来支持工业过程，以提高用于生产药品、生物燃料和其他有价值化学品的工程微生物的产量和效率

在众多可能性中，Emaminejad对这项技术帮助解开肠脑连接的潜力感到特别兴奋，肠脑连接是生物医学研究的一个新兴前沿。该团队现在专注于调整他们的平台，以解决悬而未决的研究问题，并寻求新的诊断机会

“理解肠道和大脑如何相互影响的一个主要挑战是捕捉随时间的变化，”他说。“一种持续跟踪代谢物的工具，而不是依赖于单一的实验室测量，可以帮助揭示这种双向交流。

”我们终于有能力测试缺乏关键数据的重要假设，帮助我们更好地了解肠道活动如何影响整体健康，从引发炎症和影响心理健康到塑造慢性疾病进展。p