文献信息：
作者：Tanya Gordonov, Eunkyoung Kim, Yi Cheng, Hadar Ben-Yoav, Reza Ghodssi, Gary Rubloff, Jun-Jie Yin, Gregory F. Payne, William E. Bentley
发表时间：27 JULY 2014
https://doi.org/10.1038/NNANO.2014.151
Nature Nanotechnology 影响因子：40.4
背景介绍
含生物组分的微电子器件通常用于探究生物学，而非直接“发号施令”控制生物功能。如今常见的做法是：先在硅片上布好微型电极，再让蛋白质或细胞按图案生长，借此观察它们怎样消耗养分、排出废物。这类“生理芯片”有望替代动物试验，加速新药筛选。
但观察只是第一步，真正难的是“指挥”——让电信号直接去开关节点反应：即通过电协调生化通路，在芯片上表征并潜在调控细胞代谢，这类器件是“生理芯片”技术的一部分，旨在重现动物和人类生理功能，并有望革新药物开发。
本研究给出了一条简洁路线：把两种细菌酶拼成一条“融合蛋白”，通过正电荷固定在金电极表面的天然壳聚糖膜上；随后，只需施加几秒正电压，溶液里的植物氧化还原分子就会被氧化，顺势把融合蛋白的巯基氧化掉，使其活性线性下降。输入电量越多，生成的信号分子越少，下游细菌的群体行为也随之减弱。于是，电流大小被翻译成生命语言的强弱，芯片上的生物过程第一次实现了可编程、可预测的电子遥控。
图文解读
图1| 电子信号控制的生物杂化装置示意图
a，生物杂化装置同时接收化学（酶反应前体）与电子输入，通过生化中间体转化为电化学信号与生物细胞响应的示意图
b，研究所用多结构域融合蛋白（HLPT）组分示意图
c，实验概念：通过改变HLPT所在电极的电子输入，可线性调节HLPT活性，从而按比例影响电化学与生物响应。紫色矩形为硅片；金色矩形为图案化金电极；半透明青绿色矩形为生物相容壳聚糖支架。Hcy：同型半胱氨酸；AI-2：自诱导剂-2；His：组氨酸；Tyr：酪氨酸；LuxS与Pfs为HLPT内酶
图2| 天然介体乙酰丁香酮（AS）的电子驱动HLPT衰减
a，溶液中AS(R)电化学氧化后加入HLPT，氧化并衰减HLPT活性同时自身被还原为AS(R)的示意图
b，AS(R)与AS(O)分光光度检测：AS被氧化后呈棕橙色，在490 nm处检出
c，AS(O)氧化HLPT可用EPR探针CPH检测，CPH被AS(O)氧化的蛋白氧化后EPR信号增强，图为CPH与蛋白反应2 min后样品，条形图为多次归一化测量平均（补充章节8）
d，Ellman法检测AS(O)或AS(R)处理后蛋白巯基量
e，与AS(O)或AS(R)孵育后HLPT活性电化学测定，插图：Hcy在电极表面氧化反应，c重复2次，d、e重复3次，误差棒s.d.，双尾异方差Student’s t检验，*P*<0.05，**P*<0.01，***P*<0.001，****P*<0.0001
图3| 片上酶活性与输入电荷呈线性关系
a，酶固定流程：壳聚糖电沉积成薄膜后HLPT酶组装，红色标记壳聚糖与蓝色标记HLPT荧光图显示二者在金图案电极上共定位
b，原位酶活性衰减示意图：同一电极氧化AS（灰→棕六边形）使蛋白附近活性降低，再通过电化学检测Hcy（绿六边形）量化活性
c，3.5 h孵育后，原位AS氧化输入电荷与HLPT衰减后测得Hcy的线性关系，三系列不同初始酶活，每点2活性+4电荷测量，误差棒为s.d.，R²为平均数据Pearson线性系数，非平均数据Pearson/Spearman系数分别为–0.81/–0.91（活1）、0.92/–0.93（活2）、0.92/–0.96（活3）
图4| 原位酶衰减介导生物信号
a，实验示意图：按图3原位衰减HLPT，所得含AI-2溶液加入报告细胞使其发蓝色荧光，明场与蓝色荧光叠加图显示细胞与荧光共定位
b，FACS检测不同衰减程度HLPT产物处理后的AI-2报告细胞蓝色DAPI荧光直方图
c，电化学测得Hcy与对应直方图细胞平均蓝色荧光关系，三重复，误差棒s.d.，细胞荧光vs酶活性线性Pearson R²=0.98
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