研究人员发明了一种分子装置，

可以记录和改变细胞的生物电场而不造成损害

诸平

A conceptual drawing of the new molecular device. For experiments outside the human body (in vitro), the device would nest on the cell's membrane: A “reporter” molecule would detect the local electric field when activated by red light; an attached “modifier” molecule would alter that electric field when activated by blue light. Credit: Katya Kadyshevskaya, USC

Fig. 1 Chemical structure of NAI–TPE-PyS with TPE-module in red and NAI-module in blue.

据美国南加州大学（University of Southern California简称USC）2022年1月11日报道，生物电（Bioelectricity），即在我们细胞之间流动的电流，是我们思考、说话和行走能力的基础。此外，越来越多的证据表明，记录和改变细胞和组织的生物电场在伤口愈合、甚至可能对抗癌症和心脏病等疾病方面发挥着至关重要的作用。现在，南加州大学维特比工程学院（USC Viterbi School of Engineering）的研究人员首次发明了一种既能记录又能操纵周围生物电场的分子装置（Researchers create molecular device that can record and alter cells' bioelectric fields without creating damage）。上述图示就是新分子装置的概念图。在体外进行实验时，该装置会在细胞膜上筑巢:当红光激活时，一个“报告”分子会探测到局部电场;当蓝光激活时，一个附着的“修饰”分子会改变电场。

这个三角形的装置是由两个连接在一起的小分子组成的，它们比病毒小得多，和DNA链的直径差不多。这是一种全新的材料，可以在不损伤附近细胞和组织的情况下“读写”电场。由碳原子短链连接的两个分子各有各自的功能:一个分子充当“传感器”或探测器，当红光触发时测量局部电场;第二个分子，“修饰剂（modifier）”，暴露在蓝光下会产生额外的电子。值得注意的是，每个功能都是由不同波长的光独立控制的。

虽然不打算在人体上使用，但这个有机装置将部分放置在细胞膜内外，用于体外实验。这项研究于2021年12月8日已经在《材料化学C》（Journal of Materials Chemistry C）杂志网站发表——Yingmu Zhang, Jinghan He, Patrick J. G. Saris, Hyun Uk Chae, Subrata Das, Rehan Kapadia, Andrea M. Armani. Multifunctional photoresponsive organic molecule for electric field sensing and modulation. Journal of Materials Chemistry C, First published 08 Dec 2021. DOI: 10.1039/D1TC05065F. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/tc/d1tc05065f

此项研究是由USC维特比工程学院安德里亚·阿玛尼（Andrea Armani）教授和雷汗·卡帕迪亚（Rehan Kapadia）教授牵头进行的。主要作者: USC莫克化学工程与材料科学系博士后张颖木(Yingmu Zhang音译)以及USC化学系博士候选人何京汉(Jinghan He音译)。共同作者包括USC维特比工程学院博士后研究员帕特里克·萨里斯（Patrick J. G. Saris）;Hyun Uk Chae和Subrata Das都是USC Ming Hsieh电气和计算机工程系（USC’s Ming Hsieh Department of Electrical and Computer Engineering）的博士研究生。安德里亚·阿玛尼实验室负责创造新的有机分子，而里恩·卡帕迪亚(Rehan Kapadia)实验室在测试“修饰剂”在被光激活时产生电能的效率方面发挥了关键作用。

由于报告分子可以插入组织，它有可能测量电场的非侵入性，提供超快、3D、高分辨率的神经网络成像。这对其他研究人员测试新药的效果或压力和氧气等条件的变化可能起到至关重要的作用。与以前的许多工具不同，它不会损害健康的细胞或组织，也不需要对此系统进行基因操作。

USC化学工程和材料科学系教授安德里亚·阿玛尼说：“这种多功能显像剂已经与现有的显微镜兼容。所以它将能使从生物学到神经科学到生理学的广泛的研究人员，提出关于生物系统及其对不同刺激，如药物和环境因素的反应的新类型问题，而且新领域是无止境的。”

此外，修饰分子通过改变细胞附近的电场，可以精确地破坏一个点，使未来的研究人员能够确定整个大脑细胞或心脏细胞网络的级联效应（cascading effects）。

安德里亚·阿玛尼说:“如果你家里有一个无线网络，如果其中一个节点变得不稳定会发生什么?这对你房子里的其他节点有何影响?它们还能工作吗?一旦我们了解了像人体这样的生物系统，我们就能更好地预测它的反应——或者改变它的反应，比如制造更好的药物来防止不良行为。”

“关键是，”科琳和罗伯托·帕多瓦尼电气和计算机工程的早期职业主席（Colleen and Roberto Padovani Early Career Chair in Electrical and Computer Engineering）里恩·卡帕迪亚说：“我们可以利用这一点来质问和操纵。我们可以在非常高的分辨率下双管齐下，做这两件事——无论是空间上还是时间上。”

这种新型有机装置的关键在于能够消除“串话干扰（crosstalk）”。如何让这两个非常不同的分子结合在一起而不因两个杂乱的无线电信号而相互干扰? 安德里亚·阿玛尼指出，一开始，“这是否有可能实现，这一点并不十分明显。”解决方案?用一个长烷基链将两者分开，这不会影响它们各自的光物理能力。

这种多功能新分子的下一步工作包括在神经元甚至细菌上进行测试。USC的科学家莫·埃尔-纳迦（Moh El-Naggar）是该项目的合作伙伴，他之前已经证明了微生物群落在细胞之间和相对较长的距离上转移电子的能力，这对获取生物燃料具有巨大的意义。

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Abstract

Nonlinear optical organic molecules have advanced a wide range of fields spanning from integrated photonics to biological imaging. With advances in molecular design, an emerging application is multifunctional nonlinear organic materials. Unlike conventional molecules which simply emit light through single or multi photon processes, multifunctional materials can perform multiple tasks, such as modulating the optical signal or reporting an electric field intensity. In this work, we report a multifunctional organic molecular device with electric field ‘sense-and-modulate’ capability. This is achieved by combining two distinct functional modules. The electric field-reporting module relies on a photo-induced electron transfer (PeT) dye, tetraphenylethylene (TPE) as a two-photon (2p) imaging agent; while the electric field-modulating module relies on the organic photoconductor, naphthalimide (NAI). To reduce cross-talk between the two modules, they are separated by a long alkyl chain. The photophysical properties and photoconductivity of the probe molecule are studied in a range of solvents and in the solid state, and the results agree with the density functional theory predictions. Specifically, 2p excitation is demonstrated, and the photoconductivity is rapid and reversible. The entire system is optically controlled, including signal read-out, and the two modules can be operated simultaneously or individually.