人工DNA分子通信的接收器信息轉(zhuǎn)換接口

黃富鵬　閆浩

摘要：本文提出了一種實(shí)現(xiàn)人工DNA分子通信接收器中關(guān)鍵部件——信息轉(zhuǎn)換接口的方法。該信息轉(zhuǎn)換接口利用DNA堿基互補(bǔ)配對原理和電化學(xué)檢測技術(shù)，將微觀DNA分子信號轉(zhuǎn)換為宏觀電信號。我們開展了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文提出的信號轉(zhuǎn)換接口能夠準(zhǔn)確地將微觀DNA分子信號實(shí)時轉(zhuǎn)換為宏觀電信號。這項(xiàng)工作對于微觀人工分子通信實(shí)驗(yàn)平臺的系統(tǒng)構(gòu)建具有重要意義。

關(guān)鍵詞：分子通信;人工分子通信;人工DNA分子通信

一、引言

近年來，生物科學(xué)、納米技術(shù)和信息技術(shù)的進(jìn)步增強(qiáng)了人們探索納米世界的能力，為納米機(jī)器的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持。納米機(jī)器在藥物靶向運(yùn)輸、納米物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。然而，單個納米機(jī)器由于尺寸（1～100nm）小，只能在有限空間內(nèi)執(zhí)行非常簡單的任務(wù)[1]。為了克服這種限制，實(shí)現(xiàn)在更大范圍內(nèi)完成更復(fù)雜、更精確的任務(wù)，學(xué)者們提出了將納米機(jī)器互聯(lián)，組建納米網(wǎng)絡(luò)。納米網(wǎng)絡(luò)通過納米機(jī)器之間的信息共享，擴(kuò)展了納米機(jī)器的功能。

納米網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景通常是微觀且富含水的生物環(huán)境，傳統(tǒng)的基于電磁波的通信技術(shù)受限于收發(fā)器體積和能耗等因素[2]，無法直接用于納米機(jī)器間的通信。自然界中存在大量天然納米機(jī)器，如細(xì)胞等，它們通過分子通信在微觀和富水生物環(huán)境中交換信息，形成穩(wěn)定高效的天然生物納米網(wǎng)絡(luò)。受到自然界啟發(fā)，學(xué)者們提出了利用生物化學(xué)分子作為信息載體的人工分子通信。由于具有能耗低和生物相容性等優(yōu)勢，人工分子通信被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)納米網(wǎng)絡(luò)最可靠的通信方式之一[3]。

目前，人工分子通信的研究主要集中在理論方面，在實(shí)驗(yàn)方面的研究極其有限，尤其缺乏能夠執(zhí)行穩(wěn)定而連續(xù)信息傳遞的微觀人工分子通信實(shí)驗(yàn)平臺，這是當(dāng)前納米網(wǎng)絡(luò)研究中最主要的瓶頸問題。為了解決這個問題，學(xué)者們已經(jīng)開展了探索性研究，實(shí)現(xiàn)了微觀人工分子通信實(shí)驗(yàn)平臺的部分模塊，但尚未實(shí)現(xiàn)完整的實(shí)驗(yàn)平臺。文獻(xiàn)[4]通過實(shí)驗(yàn)證明了工程大腸桿菌群可以作為微觀人工分子通信的信號接收器，能在接收到特定信息分子后發(fā)出熒光信號作為響應(yīng)，但響應(yīng)速度緩慢，1比特信息需要435分鐘才能完成接收。文獻(xiàn)[5]也對工程大腸桿菌群作為微觀信號接收器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。接收器大腸桿菌群在接收到信息分子后會發(fā)出綠色熒光蛋白信號作為響應(yīng)。文獻(xiàn)[6]利用工程大腸桿菌和氧化還原反應(yīng)機(jī)制，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了從微觀分子信號到宏觀電信號的轉(zhuǎn)換接口，然而轉(zhuǎn)換速度同樣較慢，需要若干小時才能完成1比特信息的轉(zhuǎn)換。如上的研究，推動了微觀人工分子通信實(shí)驗(yàn)平臺的研究進(jìn)展，但也存在局限。首先，這些研究都是限定于工程化大腸桿菌這一種人工納米機(jī)器。其次，工作速度緩慢，若干小時才能完成1比特信號傳遞。

針對上述瓶頸問題，本文提出了一個基于DNA分子的微觀分子信號到宏觀電信號的轉(zhuǎn)換接口，簡稱信號轉(zhuǎn)換接口。該信號轉(zhuǎn)換接口利用DNA堿基互補(bǔ)配對原理和電化學(xué)檢測技術(shù)，可以將微觀DNA分子信號轉(zhuǎn)換為宏觀電信號。信號轉(zhuǎn)換接口是一個表面修飾了與DNA信息分子序列互補(bǔ)的DNA探針的金薄膜電極，當(dāng)電極表面的DNA探針檢測接收到微觀DNA分子信號后，電極表面的雙電層電化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，通過電化學(xué)阻抗譜檢測技術(shù)可以實(shí)時監(jiān)測電極阻抗變化，進(jìn)而獲取信號變化。實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的信號轉(zhuǎn)換接口能夠?qū)⑽⒂^DNA分子信號實(shí)時轉(zhuǎn)換為宏觀電信號，1比特信息的轉(zhuǎn)換只需要300秒。這項(xiàng)工作對于微觀人工分子通信實(shí)驗(yàn)平臺的系統(tǒng)構(gòu)建具有重要意義。本工作的意義在于：拓展了實(shí)現(xiàn)微觀人工分子通信的機(jī)制，除了文獻(xiàn)中已經(jīng)提出的大腸桿菌機(jī)制外，本工作證明了DNA技術(shù)也有望用于實(shí)現(xiàn)微觀人工分子通信平臺。此外，提高了接收器信號轉(zhuǎn)換接口的信息轉(zhuǎn)換速度。

二、基于DNA分子的人工分子通信接收器信號轉(zhuǎn)換接口的基本原理

基于DNA分子的人工分子通信接收器信號轉(zhuǎn)換接口的微觀DNA分子信號轉(zhuǎn)換宏觀電信號過程如圖1所示，信號轉(zhuǎn)換接口靜置在液體環(huán)境中，通過電化學(xué)工作站采用阻抗-時間測量法（IMPT，Impedance-Time），實(shí)時監(jiān)控信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗大小。實(shí)驗(yàn)過程中采用了開關(guān)鍵控（OOK，On-Off Keying）的調(diào)制方式，將向裝置中加入單鏈DNA溶液代表“1”，向裝置中加入不含單鏈DNA的溶液代表“0”。單鏈DNA進(jìn)入液體環(huán)境后，通過自由擴(kuò)散和電場作用進(jìn)行傳播。

當(dāng)信號轉(zhuǎn)換接口上的DNA探針檢測接收到單鏈DNA時，互補(bǔ)配對形成雙鏈DNA結(jié)構(gòu)，改變信號轉(zhuǎn)換接口表面的雙電層結(jié)構(gòu)，使得信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗發(fā)生變化，進(jìn)而被電化學(xué)工作站上檢測到，實(shí)現(xiàn)微觀DNA信號到宏觀電信號的轉(zhuǎn)換。

本文使用到的實(shí)驗(yàn)裝置由測試儀器和電極測量體系組成，其中測試儀器是上海辰華儀器公司生產(chǎn)的電化學(xué)工作站CHI660E，實(shí)驗(yàn)裝置使用的電極測量體系為三電極測量體系，三電極測量體系由工作電極、對電極和參比電極組成，相對于兩電極測量體系，三電極體系測量更便捷，測量結(jié)果更穩(wěn)定，常用于固相與液相界面間的電化學(xué)過程測量。實(shí)驗(yàn)裝置中的對電極為鉑絲（Pt）、參比電極為飽和氯化鉀/氯化銀電極（KCl/AgCl）、工作電極為電極夾和信號轉(zhuǎn)換接口組成，如圖2所示。

三、信號轉(zhuǎn)換接口使用的材料及制備過程

（一）使用的材料和試劑

本文中使用到的金薄膜電極是利用濺射技術(shù)在BK7玻璃上修飾了一層薄膜，其中，薄膜由3nm的鉻和47nm的金組成。本文中使用到的單鏈DNA材料均是從生工生物有限公司定制，其中，DNA探針是設(shè)計的長度為20個堿基的單鏈DNA，一端末尾修飾了巰基（-SH），DNA信息分子是與DNA探針序列互補(bǔ)的單鏈DNA。

（二） 制備過程

信號轉(zhuǎn)換接口的制備過程分為以下兩個步驟：清洗和修飾DNA探針，如圖3所示。首先將金薄膜電極加入無水乙醇中加熱煮沸10分鐘，取出用超純水清洗，再將金薄膜電極完全浸沒于濃度為30%的過氧化氫中，靜置10分鐘，取出用超純水清洗。通過清洗步驟去除金薄膜電極表面可能存在的雜質(zhì)。最后將清洗后的金薄膜電極浸沒在DNA探針溶液中，置于4℃的環(huán)境中過夜，再取出用超純水清洗即可制備得到信號轉(zhuǎn)換接口。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

為了驗(yàn)證提出的信號轉(zhuǎn)換接口的可行性，本文做了如下三個實(shí)驗(yàn)。

第一個實(shí)驗(yàn)是往實(shí)驗(yàn)裝置中加入不含DNA信息分子的溶液，第二個實(shí)驗(yàn)是往實(shí)驗(yàn)裝置中加入濃度為20uM的DNA信息分子的溶液，第三個實(shí)驗(yàn)采用開關(guān)鍵控的調(diào)制方式，將加入濃度為20uM的DNA信息分子的溶液代表“1”，加入不含DNA信息分子的溶液代表“0”，模擬輸入二進(jìn)制信號，驗(yàn)證信號轉(zhuǎn)換接口可行性。其中，三個實(shí)驗(yàn)每次往實(shí)驗(yàn)裝置中加入溶液的時間間隔為300秒，每次加入的溶液體積均遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)電解質(zhì)溶液的體積。定義阻抗比值為信號轉(zhuǎn)換接口通過電化學(xué)工作站實(shí)時測量阻抗與最初測量阻抗的比值。

第一個實(shí)驗(yàn)是空白對照實(shí)驗(yàn)，信號轉(zhuǎn)換接口已經(jīng)準(zhǔn)備好接收微觀DNA分子信號，但在這個實(shí)驗(yàn)中，加入實(shí)驗(yàn)裝置的溶液中不含有DNA信息分子，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。在溶液加入實(shí)驗(yàn)裝置的時候，信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗比值曲線出現(xiàn)了劇烈的波動，然后迅速回到穩(wěn)定狀態(tài)，這是往實(shí)驗(yàn)裝置中加入溶液時造成裝置內(nèi)溶液震蕩導(dǎo)致的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)過程中，多次加入不含DNA信息分子的溶液，信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗比值在1上下波動，說明阻抗比值不受到加入外部溶液的影響。

第二個實(shí)驗(yàn)是輸入連續(xù)信號“1”的信號接收轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。連續(xù)接收四個“1”信號，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示?？梢钥吹剑?dāng)加入濃度為20uM的DNA信息分子的溶液時，信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗比值曲線同樣出現(xiàn)波動，然后恢復(fù)平穩(wěn)，當(dāng)此時的阻抗比值相對于加入DNA信息分子的溶液前出現(xiàn)了下降。對于連續(xù)四次加入的含有DNA信息分子的溶液，信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗比值連續(xù)下降，曲線呈現(xiàn)出階梯狀，即四次微觀DNA分子信號均被信號轉(zhuǎn)換接口檢測接收，轉(zhuǎn)換為宏觀電信號變化。同時，注意到隨著檢測接收次數(shù)的增加，阻抗比值下降的幅度逐漸減小，這可能與信號轉(zhuǎn)換接口上的DNA探針結(jié)合DNA信息分子形成互補(bǔ)配對后，表面可探測的DNA探針數(shù)量減少有關(guān)系。

第三個實(shí)驗(yàn)為采用開關(guān)鍵控調(diào)制方式，模擬接收二進(jìn)制信號（1100），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示?？梢钥吹?，在接收到“1”信號時，信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗比值明顯下降，而在接收到“0”信號時，信號轉(zhuǎn)換接口的阻抗比值相對穩(wěn)定，基本保持不變。四個比特信號均被信號轉(zhuǎn)換接口正確接收轉(zhuǎn)換，證明了信號轉(zhuǎn)換接口的成功。

五、結(jié)束語

本文提出了一個基于DNA納米機(jī)器的微觀分子信號到宏觀電信號的轉(zhuǎn)換接口，該轉(zhuǎn)換接口利用DNA堿基互補(bǔ)配對原理和電化學(xué)檢測方法，實(shí)現(xiàn)了微觀DNA分子信號到宏觀電信號的轉(zhuǎn)換。通過將微觀DNA分子信號的二進(jìn)制序列成功轉(zhuǎn)換為宏觀電信號變化，證明了該轉(zhuǎn)換的可行性。同時，該轉(zhuǎn)換接口的實(shí)驗(yàn)環(huán)境為封閉的實(shí)驗(yàn)裝置，如何在實(shí)際復(fù)雜環(huán)境中對信號進(jìn)行準(zhǔn)確檢測接收，排除其他噪聲因素干擾，是后續(xù)工作的重點(diǎn)。

作者單位：黃富鵬? ? 閆浩? ? 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 儀器科學(xué)與工程系

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 黎作鵬， 張菁， 蔡紹濱， 等. 分子通信研究綜述[J]. 通信學(xué)報， 2013， 34（5）： 152-167.

[2] AKYILDIZ I F， BRUNETT F， BLAZQUEZ C. Nanonetworks： a new communication paradigm[J]. Computer Networks Journal， 2008， 52（12）： 2260-2279.

[3] Farsad N， Yilmaz H B， Eckford A， et al. A comprehensive survey of recent advancements in molecular communication[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2016， 18（3）： 1887-1919.

[4] Krishnaswamy B， Austin C M， Bardill J P， et al. Time-elapse communication： Bacterial communication on a microfluidic chip[J]. IEEE Transactions on Communications， 2013， 61（12）： 5139-5151.

[5] Bicen A O， Austin C M， Akyildiz I F， et al. Efficient sampling of bacterial signal transduction for detection of pulse-amplitude modulated molecular signals[J]. IEEE transactions on biomedical circuits and systems， 2015， 9（4）： 505-517.

[6] Liu Y， Tsao C Y， Kim E， et al. Using a redox modality to connect synthetic biology to electronics： Hydrogel‐based chemo‐electro signal transduction for molecular communication[J]. Advanced healthcare materials， 2017， 6（1）： 1600908.

基金項(xiàng)目：國家自然金資助項(xiàng)目（No.62071297 and No.61971314）;

上海市自然基金面上項(xiàng)目（No.19ZR1426500）;

上海市科委科技創(chuàng)新行動計劃（No.19510744900）;

上海智能診療儀器工程技術(shù)研究中心（15DZ2252000）。

黃富鵬（1996.10-），男，壯族，廣西，碩士生，研究方向：分子通信;

閆浩（1982.07-），女，漢族，上海，博士，副教授，研究方向：數(shù)字全息或分子通信。