近日，中国科学院深圳先进技术研究院神经工程中心李光林老师领导下的刘志远研究员、李青松副研究员，与合成所材料合成生物学研究中心戴卓君研究员合作，在国际材料学界顶级期刊Advanced Materials上发表文章“Living Synthelectronics: A New Era for Bioelectronics Powered by Synthetic Biology”。系统论述了“活性电子”器件新研究范式的兴起及其所面临的挑战，有望进一步推动“活性电子”器件新范式的开辟。

论文截图

此前，戴卓君研究员与刘志远研究员合作在 Nature Chemical Biology 发表题为“Programmable Living Material Generated by Bacterial Assembly” 的文章，创新性地提出一种全新的可快速自愈的活体材料构建思路，并将其应用于“活性电极”的加工制备与应用，成功实现了用活体菌监测人体电生理信号，初步尝试生物技术（BT）+信息技术（IT）的融合。

生物电子学是一门结合了生物学和电子学的学科，旨在开发与生物系统相互作用的电子器件和系统。近年来，随着柔性可拉伸电子器件的发展，生物电子学已经在医疗诊断、健康监测和神经科学研究等领域带来了许多创新和应用。然而，基于高分子和金属材料的传统柔性可拉伸电子器件仍然无法与动态更新的活体生物组织实现深度融合。新材料或系统的引入有望跨越活有机体与“死”电子器件的壁垒开启柔性可拉伸电子器件/系统的新范式。

合成生物学是一门综合性学科，将工程学、生物学和计算机科学等领域的原理和方法应用于设计和构建新的生物系统、生物部件和生物分子。通过基因工程、蛋白工程和细胞工程等技术手段，合成生物学使得工程生物体能够展现出特定的功能，并最大化地发挥活体生物的功能。合成生物学具有与生物电子学相结合的潜力，可以推动新一代柔性可拉伸电子器件和系统的发展。

图1 融合生物电子学与合成生物学的活体合成电子学

活性电子（Living Synthelectronics）是在生物电子学和合成生物学的交叉领域中涌现的概念。它旨在将合成生物学的原理和方法与生物电子学的技术相结合，通过直接将设计和构建的生物系统、生物部件和生物分子集成到电子器件中，实现深度融合与交互。这一概念将活体生物视为生物电子器件的一部分，利用合成生物学的工具和技术对生物体进行定制化的改造和增强，赋予其特定的电子功能和响应能力。活性电子的发展有望带来革命性的进展，推动生物电子系统的智能化和功能化。

图2 生物电子学与合成生物学的层级结构

与电子学的层级结构相似，合成生物学同样遵循从基础材料、简单元件、集成电路到系统乃至开放交互体系的理念。这为合成生物学和生物电子学在多个层级上的交叉提供了机会，为活性电子学的发展带来了可能性。在电子学中，构成电子器件的材料主要包含导电材料和绝缘聚合物等。类似地，合成生物学中的基本材料是氨基酸和核苷酸等，它们是构成复杂有机体的基础。简单的导电材料可以封装成二极管等典型的功能电子元件。

在合成生物学中，基因的遗传物质是承载生物体生存与繁殖的基本功能单元。在电子学中，多个简单元件可以组合成更复杂的功能电路。合成生物学中的工程基因线路也可以实现对生物体的调控。就像计算机系统作为典型的电子系统代表，单个工程生物也可以被看作是一个系统，具有感知信号并做出响应的能力。这些系统不局限于感知外部化学和物理信号的能力，还可以实现生物/器械与生物/环境之间的交互。这种层级相似性为活性电子学的发展提供了机遇，促使生物学和电子学在多个层级上相互交叉，为创造具有开放交互体系的活性电子器件提供了可能性。

图3 工程生物作为材料、传感模块或换能模块的活体合成电子示例

现有部分工作已经实现了以工程生物或其聚集体作为活体单元与传统电子器件的融合。基于合成生物学对细胞与病毒遗传物质的改造，工程生物体已经成功作为活体材料（支架或模板等）、传感模块（化学传感与刺激响应等）或能量转换模块（半人工光合系统、水伏发电机或热释电器件等）引入到电子器件中，这些工作为活体电子学的可行性提供了初步的验证。

图4活体合成电子学的展望

活体电子学的发展受限于当前技术手段。例如，工程生物抵御外部恶劣环境的能力有限。相较于传统传感器，工程生物对外界环境变化的感知速度较慢，大多数工程生物无法实时感知环境变化。此外，目前所开发的生物工具有限，主要集中在对工程菌体的研究而缺乏真核细胞（尤其是哺乳动物细胞）的基因工具箱。同时，工程生物体的泄漏可能对生态系统造成无法估量的破坏。不可否认这些挑战也为电子学和合成生物学提供了许多机遇。随着技术的不断进步和对生物系统理解的深入，基于活体工程模式的生物电子学将在未来继续发展，为人类的健康和生活带来更多益处。

深圳先进院客座博士生孙静（哈尔滨工业大学在读学生）与国科大硕士毕业生现研究助理杨若凡为该文章共同第一作者，同时共同作者朱润涛（国科大在读博士生）在文章推进和修改中做出了重要贡献。该文章获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市孔雀团队等多个项目的支持。