人工DNA分子通信的接收器信息转换接口

黄富鹏　闫浩

摘要：本文提出了一种实现人工DNA分子通信接收器中关键部件——信息转换接口的方法。该信息转换接口利用DNA碱基互补配对原理和电化学检测技术，将微观DNA分子信号转换为宏观电信号。我们开展了实验研究，实验结果证明，本文提出的信号转换接口能够准确地将微观DNA分子信号实时转换为宏观电信号。这项工作对于微观人工分子通信实验平台的系统构建具有重要意义。

关键词：分子通信;人工分子通信;人工DNA分子通信

一、引言

近年来，生物科学、纳米技术和信息技术的进步增强了人们探索纳米世界的能力，为纳米机器的实现提供了技术支持。纳米机器在药物靶向运输、纳米物联网等领域具有潜在的应用价值。然而，单个纳米机器由于尺寸（1～100nm）小，只能在有限空间内执行非常简单的任务[1]。为了克服这种限制，实现在更大范围内完成更复杂、更精确的任务，学者们提出了将纳米机器互联，组建纳米网络。纳米网络通过纳米机器之间的信息共享，扩展了纳米机器的功能。

纳米网络的应用场景通常是微观且富含水的生物环境，传统的基于电磁波的通信技术受限于收发器体积和能耗等因素[2]，无法直接用于纳米机器间的通信。自然界中存在大量天然纳米机器，如细胞等，它们通过分子通信在微观和富水生物环境中交换信息，形成稳定高效的天然生物纳米网络。受到自然界启发，学者们提出了利用生物化学分子作为信息载体的人工分子通信。由于具有能耗低和生物相容性等优势，人工分子通信被认为是实现纳米网络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论方面，在实验方面的研究极其有限，尤其缺乏能够执行稳定而连续信息传递的微观人工分子通信实验平台，这是当前纳米网络研究中最主要的瓶颈问题。为了解决这个问题，学者们已经开展了探索性研究，实现了微观人工分子通信实验平台的部分模块，但尚未实现完整的实验平台。文献[4]通过实验证明了工程大肠杆菌群可以作为微观人工分子通信的信号接收器，能在接收到特定信息分子后发出荧光信号作为响应，但响应速度缓慢，1比特信息需要435分钟才能完成接收。文献[5]也对工程大肠杆菌群作为微观信号接收器进行了实验研究。接收器大肠杆菌群在接收到信息分子后会发出绿色荧光蛋白信号作为响应。文献[6]利用工程大肠杆菌和氧化还原反应机制，设计并实现了从微观分子信号到宏观电信号的转换接口，然而转换速度同样较慢，需要若干小时才能完成1比特信息的转换。如上的研究，推动了微观人工分子通信实验平台的研究进展，但也存在局限。首先，这些研究都是限定于工程化大肠杆菌这一种人工纳米机器。其次，工作速度缓慢，若干小时才能完成1比特信号传递。

針对上述瓶颈问题，本文提出了一个基于DNA分子的微观分子信号到宏观电信号的转换接口，简称信号转换接口。该信号转换接口利用DNA碱基互补配对原理和电化学检测技术，可以将微观DNA分子信号转换为宏观电信号。信号转换接口是一个表面修饰了与DNA信息分子序列互补的DNA探针的金薄膜电极，当电极表面的DNA探针检测接收到微观DNA分子信号后，电极表面的双电层电化学性质发生改变，通过电化学阻抗谱检测技术可以实时监测电极阻抗变化，进而获取信号变化。实验证明，本文提出的信号转换接口能够将微观DNA分子信号实时转换为宏观电信号，1比特信息的转换只需要300秒。这项工作对于微观人工分子通信实验平台的系统构建具有重要意义。本工作的意义在于：拓展了实现微观人工分子通信的机制，除了文献中已经提出的大肠杆菌机制外，本工作证明了DNA技术也有望用于实现微观人工分子通信平台。此外，提高了接收器信号转换接口的信息转换速度。

二、基于DNA分子的人工分子通信接收器信号转换接口的基本原理

基于DNA分子的人工分子通信接收器信号转换接口的微观DNA分子信号转换宏观电信号过程如图1所示，信号转换接口静置在液体环境中，通过电化学工作站采用阻抗-时间测量法（IMPT，Impedance-Time），实时监控信号转换接口的阻抗大小。实验过程中采用了开关键控（OOK，On-Off Keying）的调制方式，将向装置中加入单链DNA溶液代表“1”，向装置中加入不含单链DNA的溶液代表“0”。单链DNA进入液体环境后，通过自由扩散和电场作用进行传播。

当信号转换接口上的DNA探针检测接收到单链DNA时，互补配对形成双链DNA结构，改变信号转换接口表面的双电层结构，使得信号转换接口的阻抗发生变化，进而被电化学工作站上检测到，实现微观DNA信号到宏观电信号的转换。

本文使用到的实验装置由测试仪器和电极测量体系组成，其中测试仪器是上海辰华仪器公司生产的电化学工作站CHI660E，实验装置使用的电极测量体系为三电极测量体系，三电极测量体系由工作电极、对电极和参比电极组成，相对于两电极测量体系，三电极体系测量更便捷，测量结果更稳定，常用于固相与液相界面间的电化学过程测量。实验装置中的对电极为铂丝（Pt）、参比电极为饱和氯化钾/氯化银电极（KCl/AgCl）、工作电极为电极夹和信号转换接口组成，如图2所示。

三、信号转换接口使用的材料及制备过程

（一）使用的材料和试剂

本文中使用到的金薄膜电极是利用溅射技术在BK7玻璃上修饰了一层薄膜，其中，薄膜由3nm的铬和47nm的金组成。本文中使用到的单链DNA材料均是从生工生物有限公司定制，其中，DNA探针是设计的长度为20个碱基的单链DNA，一端末尾修饰了巯基（-SH），DNA信息分子是与DNA探针序列互补的单链DNA。

（二） 制备过程

信号转换接口的制备过程分为以下两个步骤：清洗和修饰DNA探针，如图3所示。首先将金薄膜电极加入无水乙醇中加热煮沸10分钟，取出用超纯水清洗，再将金薄膜电极完全浸没于浓度为30%的过氧化氢中，静置10分钟，取出用超纯水清洗。通过清洗步骤去除金薄膜电极表面可能存在的杂质。最后将清洗后的金薄膜电极浸没在DNA探针溶液中，置于4℃的环境中过夜，再取出用超纯水清洗即可制备得到信号转换接口。

四、实验结果和分析

为了验证提出的信号转换接口的可行性，本文做了如下三个实验。

第一个实验是往实验装置中加入不含DNA信息分子的溶液，第二个实验是往实验装置中加入浓度为20uM的DNA信息分子的溶液，第三个实验采用开关键控的调制方式，将加入浓度为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”，模拟输入二进制信号，验证信号转换接口可行性。其中，三个实验每次往实验装置中加入溶液的时间间隔为300秒，每次加入的溶液体积均远小于实验装置内电解质溶液的体积。定义阻抗比值为信号转换接口通过电化学工作站实时测量阻抗与最初测量阻抗的比值。

第一个实验是空白对照实验，信号转换接口已经准备好接收微观DNA分子信号，但在这个实验中，加入实验装置的溶液中不含有DNA信息分子，实验结果如图4所示。在溶液加入实验装置的时候，信号转换接口的阻抗比值曲线出现了剧烈的波动，然后迅速回到稳定状态，这是往实验装置中加入溶液时造成装置内溶液震荡导致的结果。

实验过程中，多次加入不含DNA信息分子的溶液，信号转换接口的阻抗比值在1上下波动，说明阻抗比值不受到加入外部溶液的影响。

第二个实验是输入连续信号“1”的信号接收转换实验。连续接收四个“1”信号，实验结果如图5所示。可以看到，当加入浓度为20uM的DNA信息分子的溶液时，信号转换接口的阻抗比值曲线同样出现波动，然后恢复平稳，当此时的阻抗比值相对于加入DNA信息分子的溶液前出現了下降。对于连续四次加入的含有DNA信息分子的溶液，信号转换接口的阻抗比值连续下降，曲线呈现出阶梯状，即四次微观DNA分子信号均被信号转换接口检测接收，转换为宏观电信号变化。同时，注意到随着检测接收次数的增加，阻抗比值下降的幅度逐渐减小，这可能与信号转换接口上的DNA探针结合DNA信息分子形成互补配对后，表面可探测的DNA探针数量减少有关系。

第三个实验为采用开关键控调制方式，模拟接收二进制信号（1100），实验结果如图6所示。可以看到，在接收到“1”信号时，信号转换接口的阻抗比值明显下降，而在接收到“0”信号时，信号转换接口的阻抗比值相对稳定，基本保持不变。四个比特信号均被信号转换接口正确接收转换，证明了信号转换接口的成功。

五、结束语

本文提出了一个基于DNA纳米机器的微观分子信号到宏观电信号的转换接口，该转换接口利用DNA碱基互补配对原理和电化学检测方法，实现了微观DNA分子信号到宏观电信号的转换。通过将微观DNA分子信号的二进制序列成功转换为宏观电信号变化，证明了该转换的可行性。同时，该转换接口的实验环境为封闭的实验装置，如何在实际复杂环境中对信号进行准确检测接收，排除其他噪声因素干扰，是后续工作的重点。

作者单位：黄富鹏    闫浩    上海交通大学 电子信息与电气工程学院 仪器科学与工程系

参  考  文  献

[1] 黎作鹏， 张菁， 蔡绍滨， 等. 分子通信研究综述[J]. 通信学报， 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.

基金项目：国家自然金资助项目（No.62071297 and No.61971314）;

上海市自然基金面上项目（No.19ZR1426500）;

上海市科委科技创新行动计划（No.19510744900）;

上海智能诊疗仪器工程技术研究中心（15DZ2252000）。

黄富鹏（1996.10-），男，壮族，广西，硕士生，研究方向：分子通信;

闫浩（1982.07-），女，汉族，上海，博士，副教授，研究方向：数字全息或分子通信。