以下文章经The Conversation许可转载，该网站是一份涵盖最新研究的在线出版物。
微电子技术改变了我们的生活。手机、耳机、起搏器、除颤器——所有这些以及更多都依赖于微电子技术非常小的电子设计和组件。微电子技术改变了我们收集、处理和传输信息的方式。
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然而，此类设备很少能提供进入我们生物世界的途径；存在技术差距。我们不能简单地将手机连接到皮肤上就期望获得健康信息。例如，是否存在感染？涉及哪种类型的细菌或病毒？我们也不能对手机进行编程来制造和输送抗生素，即使我们知道病原体是葡萄球菌还是链球菌。当您想让生物世界与电子世界进行通信时，就会出现翻译问题。
我们刚刚与《自然通讯》杂志的同事一起发表的研究使我们更接近于弥合这一通信差距。我们没有依赖通常的分子信号（如激素或营养物质）来控制细胞的基因表达，而是在细菌细胞中创建了一个识别电子的合成“开关”系统。这项新技术——电子与生物学之间的联系——最终可能使我们能够对手机或其他微电子设备进行编程，以自主检测和治疗疾病。
与电子而非分子通信
科学家在尝试将微电子设备与生物系统连接时遇到的障碍之一与信息流有关。在生物学中，几乎所有的活动都是通过诸如葡萄糖、肾上腺素、胆固醇和胰岛素等分子在细胞和组织之间的转移来实现的。感染细菌会分泌分子毒素，并使用分子受体附着在我们的皮肤上。为了治疗感染，我们需要检测这些分子以识别细菌，辨别它们的活动并确定如何最好地做出反应。
微电子设备不使用分子处理信息。微电子设备通常具有硅、金、诸如硼或磷之类的化学物质以及提供电子的能量源。它们本身不太适合与活细胞进行分子通信。
自由电子在生物系统中不存在，因此几乎没有办法与微电子连接。然而，有一小类分子可以稳定地传递电子。这些被称为“氧化还原”分子；它们可以传输电子，有点像电线一样。不同之处在于，在电线中，电子可以自由流向任何位置；氧化还原分子必须进行化学反应——氧化或还原反应——才能“传递”电子。
打开和关闭细胞
利用氧化还原分子的电子性质，我们对细菌进行了基因工程改造，使其能够对这些分子做出反应。我们专注于可以由微电子设备的电极“编程”的氧化还原分子。该设备会切换分子的氧化态——要么被氧化（失去电子），要么被还原（获得电子）。电子由电子学中典型的能量源（如电池）提供。
我们希望我们的细菌细胞由于施加的电压而“打开”和“关闭”——该电压氧化了一种天然存在的氧化还原分子，绿脓菌素。
通过电氧化绿脓菌素，我们可以控制我们工程改造的细胞，打开或关闭它们，使它们合成（或不合成）荧光蛋白。我们可以快速识别这些细胞中发生的事情，因为该蛋白质会发出绿色的色调。
在另一个例子中，我们制造了在打开时会从静止位置游动的细菌。细菌通常以被称为“奔跑”或“翻滚”的启动和停止方式游动。“奔跑”确保它们沿直线路径移动。当它们“翻滚”时，它们基本上保持在一个位置。一种称为 CheZ 的蛋白质控制着细菌游动活动的“奔跑”部分。我们的电遗传开关开启了 CheZ 的合成，因此细菌可以向前移动。
我们还能够对细胞群发出电信号，以表现出集体行为。我们制造了带有开关的细胞，这些开关控制着一种信号分子的合成，该信号分子会扩散到附近的细胞，进而导致其行为发生变化。电流开启了细胞，这些细胞反过来又“编程”了一个天然的生物信号过程，以改变附近细胞的行为。我们利用了细菌群体感应——一种天然过程，其中细菌细胞与附近的细胞“对话”，而细胞集合的行为方式有益于整个群体。
也许更有趣的是，我们的小组表明我们既可以开启基因表达，也可以关闭基因表达。通过反转电极上的极性，被氧化的绿脓菌素会变成还原状态——其非活性形式。然后，被开启的细胞经过工程改造，可以快速恢复到其原始状态。通过这种方式，该小组证明了可以重复循环电气编程行为的开启和关闭能力。
有趣的是，绿脓菌素实现的开启和关闭开关相当微弱。通过包含另一种氧化还原分子，铁氰化物，我们找到了一种放大整个系统的方法，从而使基因表达非常强烈，再次开启和关闭。整个系统稳定、可重复，并且不会对细胞产生负面影响。
在细胞水平上感知和响应
有了这一进步，设备有可能通过电刺激细菌来制造治疗药物并将其输送到病灶。例如，想象一下吞下一个小型微电子胶囊，该胶囊可以记录您胃肠道中病原体的存在，并且还包含可以制造抗菌剂或其他疗法的活细菌工厂——所有这些都在可编程的自主系统中。
目前的研究与马里兰大学之前的工作有关，研究人员在其中发现了通过感知生物环境来“记录”生物信息的方式，并基于当前情况，将电子“写入”设备。我们和我们的同事从电极“发送”氧化还原分子，让这些分子与电极附近的微环境相互作用，然后将它们拉回电极，以便它们可以告知设备它们所看到的情况。这种“分子通信”模式有点类似于声纳，其中使用氧化还原分子代替声波。
这些分子通信工作被用于识别病原体、监测精神分裂症患者血液水平的“压力”，甚至确定红发人黑色素的差异。近十年来，马里兰团队开发了利用氧化还原分子通过电化学直接将信息写入设备来询问生物学的方法。
也许现在是时候整合这些技术了：使用分子通信来感知生物功能并将信息传输到设备。然后使用该设备——也许是一个小胶囊，甚至可能是手机——来编程细菌以制造化学物质和其他化合物，从而向生物系统发出新的指令。这听起来可能很奇妙，距离实际应用还有很多年，但我们的团队正在努力研究这种有价值的应用……敬请期待！
本文最初发表在The Conversation上。阅读原文。