原題：把校訓(xùn)寫進(jìn)DNA里，這位東大教授成果還登上Science Advances!

 

江蘇80后教授

成果被美國(guó)永久收藏

登上Science Advances

近日又把校訓(xùn)寫進(jìn)DNA

隨我們一起走近

東南大學(xué)劉宏教授

 

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，全球數(shù)據(jù)產(chǎn)生量正以指數(shù)形式激增，而以DNA分子為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)被認(rèn)為是解決未來“數(shù)據(jù)危機(jī)”的一個(gè)可行方案。

近日，東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉宏教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了集成化DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)方面的研究進(jìn)展，通過電極表面合成DNA分子及原位測(cè)序?qū)崿F(xiàn)了單電極上數(shù)據(jù)寫入和讀取的一體化，為實(shí)現(xiàn)未來的高通量自動(dòng)化DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

相關(guān)成果以“Electrochemical DNA synthesis and sequencing on a single electrode with scalability for integrated data storage”為題在國(guó)際著名期刊Science Advances發(fā)表。

*本工作的第一作者為東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院博士生許成韜，通訊作者為東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉宏教授，趙超副教授及東南大學(xué)至善博士后馬標(biāo)、董興博士和高中莉同學(xué)參與了本研究。

 

 

 

DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)大多基于“編碼-合成-儲(chǔ)存-測(cè)序-解碼”的操作流程，涉及到大型儀器和專業(yè)技術(shù)人員的參與。

 

為了DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)的微型化、集成化和自動(dòng)化，劉宏團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種基于電化學(xué)的單電極DNA合成和測(cè)序方法，通過電化學(xué)脫保護(hù)技術(shù)改進(jìn)了傳統(tǒng)亞磷酰胺化學(xué)合成方法，并基于電荷振蕩現(xiàn)象對(duì)電極表面的DNA分子進(jìn)行測(cè)序，借助多次測(cè)量和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法降低測(cè)量誤差，最終成功將校訓(xùn)（止于至善——“Rest in the highest excellence!”）以DNA分子形式存儲(chǔ)在電極表面并讀取出來。

 

 

此外，劉宏團(tuán)隊(duì)還探索了現(xiàn)有體系向高通量自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的潛力。研究人員利用微流控滑動(dòng)芯片技術(shù)設(shè)計(jì)了單片四電極系統(tǒng)，通過滑動(dòng)芯片向電極高效地輸送反應(yīng)試劑，成功實(shí)現(xiàn)了四電極上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（“DNA stores Future World”），為之后高通量集成化自動(dòng)化DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)的開發(fā)打下基礎(chǔ)。

 

 

基于電化學(xué)的單電極DNA合成和測(cè)序方法

 

為了DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)的微型化、集成化和自動(dòng)化，劉宏團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種，通過電化學(xué)脫保護(hù)技術(shù)改進(jìn)了傳統(tǒng)亞磷酰胺化學(xué)合成方法，并基于電荷振蕩現(xiàn)象對(duì)電極表面的DNA分子進(jìn)行測(cè)序，借助多次測(cè)量和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法降低測(cè)量誤差。

 

 

現(xiàn)有體系向高通量自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的潛力

 

此外，劉宏團(tuán)隊(duì)還探索了。研究人員利用微流控滑動(dòng)芯片技術(shù)設(shè)計(jì)了單片四電極系統(tǒng)，通過滑動(dòng)芯片向電極高效地輸送反應(yīng)試劑，成功實(shí)現(xiàn)了四電極上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(“DNA stores Future World”)，為之后高通量集成化自動(dòng)化DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)的開發(fā)打下基礎(chǔ)。

 

作為80后青年教授，劉宏始終秉持的理念，他將一篇篇科研論文轉(zhuǎn)化成一個(gè)個(gè)實(shí)際應(yīng)用的樣機(jī)，讓科研走出實(shí)驗(yàn)室，成為“有用”的科研成果——“做有用的科研”

 

“便宜又好用”的科研成果

2011年10月，劉宏以第一作者身份在JACS(美國(guó)化學(xué)會(huì)志)發(fā)表了一篇科研論文，提出了“折紙芯片”概念，發(fā)明出了3-D紙微流控芯片，不僅簡(jiǎn)單巧妙地解決了微流控芯片的成本問題，還通過“折紙”實(shí)現(xiàn)了諸多復(fù)雜的功能。從此，基于折紙分析芯片的分析診斷產(chǎn)品被生產(chǎn)制造，廣泛應(yīng)用于科研和臨床應(yīng)用領(lǐng)域，成了真正的“便宜又好用”的科研成果。

劉宏發(fā)明的折紙分析芯片被美國(guó)NIH的歷史博物館永久收藏

 

截至目前，全球有超過200家科研機(jī)構(gòu)正在從事紙微流控芯片的相關(guān)研究。而作為微流控領(lǐng)域一個(gè)里程碑式的發(fā)明，劉宏發(fā)明的折紙分析芯片被美國(guó)NIH的歷史博物館永久收藏，被美國(guó)化學(xué)會(huì)周刊C&En News多次報(bào)道。

 

POCT(現(xiàn)場(chǎng)快速檢驗(yàn))領(lǐng)域“卡脖子”問題

以“健康中國(guó)”戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，他著眼于，主要集中在材料和器件兩方面，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展基礎(chǔ)研究解決問題，——

 

了解到一種廣泛應(yīng)用的硝酸纖維素膜層析試紙材料大多依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)缺乏相應(yīng)的材料制備的核心技術(shù)和工藝，一度處于“被壟斷”狀態(tài)。劉宏便申請(qǐng)了國(guó)家重大儀器項(xiàng)目，指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種具有可控有序微納結(jié)構(gòu)的硝酸纖維素膜，并成功應(yīng)用于高效免疫層析及核酸定量檢測(cè)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)有序結(jié)構(gòu)類紙材料的空白;

 

目前，中國(guó)糖尿病POCT有幾百億的市場(chǎng)，針對(duì)中國(guó)患者中1/3的人處于糖尿病早期，且50%得不到及時(shí)診斷這一國(guó)情，劉宏指導(dǎo)課題組學(xué)生研發(fā)出了一種“無創(chuàng)測(cè)血糖”的可穿戴傳感器，不需要繁瑣的抽血化驗(yàn)，通過檢測(cè)汗液、唾液里面的葡萄糖含量，可間接得出血糖含量，無創(chuàng)、普適且準(zhǔn)確性高。

如今，該可穿戴傳感器還與便攜的移動(dòng)終端連接，人們通過移動(dòng)設(shè)備便能掌握自己的血糖信息，這些信息也可作為醫(yī)生診療的指標(biāo)，為智慧醫(yī)療和移動(dòng)醫(yī)療“添磚加瓦”。

成為學(xué)生心目中一位真正的良師益友——

在學(xué)生培養(yǎng)上，他孜孜不倦，精心指導(dǎo)學(xué)生“做有用的科研”，為學(xué)生點(diǎn)亮一盞盞“科研之燈”，

他恪守“傳道、授業(yè)、解惑”這一古訓(xùn)，把培養(yǎng)學(xué)生成才視為自己的使命，注重將最新的科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源。

 

目前，劉宏已經(jīng)將團(tuán)隊(duì)的可視化紙芯片成果轉(zhuǎn)化成本科生的一項(xiàng)課程教學(xué)內(nèi)容，豐富了教學(xué)內(nèi)容，有效促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

 

不僅把“止于至善”寫在DNA里，

劉宏教授更是秉承東大人

勇攀科學(xué)高峰的科研精神，

堅(jiān)守初心，

在“健康中國(guó)”建設(shè)中，

宏偉藍(lán)圖

繼續(xù)書寫著屬于自己的!

 

 

 動(dòng)感生物電子學(xué) ：面向未來的100項(xiàng)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新之第41項(xiàng)

 

面向未來的100項(xiàng)顛覆性技術(shù)創(chuàng)新

 

 生物電子學(xué)（Bioelectronics）

生物電子學(xué)是利用生物材料或生物體系結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)和制造信息處理機(jī)械和相關(guān)設(shè)備的技術(shù)。這一領(lǐng)域利用生物燃料電池、仿生學(xué)和用于信息處理、信息存儲(chǔ)、電子元件和執(zhí)行器的生物材料。該研究領(lǐng)域的重要方向是生物材料和小型電子設(shè)備之間的互補(bǔ)性和相互作用。

研究人員開發(fā)受生物啟發(fā)的材料和硬件架構(gòu)，以用于新型傳感器、執(zhí)行器和信息處理系統(tǒng)。該領(lǐng)域的其他用途包括原子尺度的分子制造、生物器官與電子設(shè)備之間更好的連接，這可能推動(dòng)人類在假肢、人機(jī)集成、仿生學(xué)等領(lǐng)域的進(jìn)展。也將為健康建模、監(jiān)測(cè)和細(xì)胞發(fā)育研究開辟新的前景。

合成DNA作為一種存儲(chǔ)介質(zhì)，比大多數(shù)當(dāng)代尖端替代品要緊湊數(shù)百萬倍。另一方面，活體存儲(chǔ)系統(tǒng)不僅可以用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，還可以用來記錄人類細(xì)胞、組織或工程器官中的事件和過程。