在活体生物中，细胞通过细胞膜上的微小通道来移动分子或离子，展现出极高的信息处理和交流能力。加州大学圣克鲁斯分校的电子与计算机工程教授Marco Rolandi及其在麻省理工学院的合作团队，开发出一种模仿这一生物学原理的设备，用于疾病检测。

通过他们的生物质子系统，这是一种结合了电子元件和生物元件并利用质子电流的设备，研究人员能够检测出指示人类疾病的生物分子，并探索其他应用。相关研究成果已在《自然通讯》期刊上发表。

“细胞之间通常是相互连接的——它们通过这些膜间的通道进行交流，或与外部环境互动，”罗兰迪表示。“我们与麻省理工学院的合作伙伴的工作是创造一个人工离子通道，能够根据需求调整其特性和功能。”

麻省理工学院的研究人员利用一种称为DNA折纸的技术，对一条DNA链进行生物工程，使其自然形成双螺旋结构，变成所需的形状。在这个项目中，他们设计了一个小隧道，专门为质子流（H+）优化通行。这种微小通道被称为纳米孔，最初的概念由加州大学圣迭戈分校提出。

DNA纳米孔被嵌入Rolandi的生物质子系统中，该系统旨在模拟细胞环境中的水和离子导电特性。类似于细胞膜的双层脂质层将代表细胞外部环境的水与代表细胞内部环境的电极隔开，嵌入的纳米孔则充当两者之间的通道。

电极通过纳米孔通道向另一侧发送质子流，那里有一个可以定制的分子结合位点，以便特定的生物分子附着。如果某种分子存在于水中，它将附着在纳米孔的一端，从而阻止质子流通过通道。

该装置将质子信号转换为研究人员可以读取的电子信号。当设备未检测到质子流过通道时，研究人员便能确认生物分子的存在。

此外，该装置还配备了两个由胆固醇制成的手柄，跨越脂质双分子层，以提高质子通过纳米孔通道的导电性。

Rolandi表示：“这种方法的独特之处在于将质子导电装置与支持性脂质双层结合，我相信我们是唯一一个研究这些装置的团队，这种设计专为DNA纳米孔而设。”他补充道：“新颖之处在于设备的集成以及利用这些DNA纳米孔进行感知的能力。”

在这篇论文中，研究人员展示了他们能够利用生物质子系统检测生物分子b型利钠肽，这是一种心脏病的指标。这表明该装置在体外或临床环境中用于生物分子检测的潜力。

展望未来，研究人员设想该设备可以集成多个纳米孔，每个纳米孔能够检测不同类型的生物分子。

Rolandi表示：“这无疑是该系统吸引人的一部分——在不久的将来，我们可以实现多功能，这样我们就能拥有一整套生物传感器。”

UCSC的研究人员Le (Dante) Luo、Yunjeong Park和Jesse Vicente对这篇论文做出了贡献。来自华盛顿大学和土耳其安卡拉TOBB经济技术大学的研究人员也参与了该项目。