在日常生活中，大多數人會將“可穿戴設備”一詞與智能手表、手環、無線耳機等聯系起來。但是，你是否會想象有一天我們可以如同科幻電影中的角色一般穿戴尖端的生化服——當你暴露在危險環境中時，它能警告你及時規避風險，這聽起來是不是很酷？
如今，隨著科技的不斷進步，這些科學幻想正在一步步化作現實。2021年6月28日，哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所和麻省理工學院的研究人員在?Nature Biotechnology?期刊發表了題為：Wearable materials with embedded synthetic biology sensors for biomolecule detection的研究論文。
該研究開發了一種基于CRISPR技術的可穿戴的合成生物學生物傳感器，用以檢測環境中的病原體和毒素，并通過發出熒光警告穿戴者。而且，研究團隊還將這一技術集成到了標準口罩中，以檢測患者呼吸中，以及空氣中是否存在新冠病毒（SARS-CoV-2）。
使用者可以通過按鈕激活口罩中的檢測系統，并在90min內提供與當前標準核酸診斷測試相媲美的檢測結果。在可穿戴面料中成功嵌入合成生物學傳感器是創造多功能智能服裝的第一步，這些服裝有望實現生物醫學等更大范圍的應用。
實際上，早在COVID-19大流行之前，該論文的通訊作者?Jim Collins?教授就率領其研究團隊開始了相關的研究。簡單來說，這項技術主要涉及蛋白-核酸提取和冷凍干燥等技術，以此制造出生物傳感器，而這種生物傳感器可以針對目標分子的存在與否產生相應的可檢測信號。
2015年，?Jim Collins?等人首次將這種技術應用于診斷寨卡病毒。他們將有色或熒光指示蛋白與可檢測病原RNA的生物傳感器相結合，然后將它們嵌入試紙中，從而創造出廉價、準確和便攜的診斷方法。
基于此，在成功將生物傳感器植入紙張之后，Jim Collins?等目光投向了可穿戴設備。在此之前，已經有研究團隊開發出可以感知生物分子的可穿戴設備，但這些技術都需要將工程改造微生物植入到可穿戴設備中，使用者就像攜戴著一個微型水族箱一樣，這些“可穿戴設備”不僅實用性不高，還容易損壞。一旦損壞，其中攜帶的工程改造微生物就會泄漏到使用者身上，估計沒有人喜歡這樣。
因此，研究團隊開始研究可穿戴冷凍干燥無細胞技術（wFDCF）能否解決這個問題，他們在100多種不同的織物上進行了系統的測試。隨后，十分巧合的是，COVID-19大流行爆發了。
可穿戴冷凍干燥無細胞技術（wFDCF）
研究團隊整合了許多研究機構和資源來研發可以檢測新冠病毒（SARS-CoV-2）的可穿戴式口罩，其中包括了由張鋒開發的基于CRISPR-Cas13a的病毒檢測系統SHERLOCK，最終產品由三種不同的凍干生物反應組成，通過按下一個按鈕，這三種組分就會依次被激活。
基于wFCDF技術的診斷口罩的使用步驟
第一種反應可以破壞新冠病毒的蛋白外殼，暴露其內部的RNA；第二個反應則是一個常溫PCR擴增步驟，可以特異性擴增新冠病毒的刺突蛋白（S蛋白）的基因片段；最后的反應使用基于CRISPR-Cas13a的SHERLOCK技術來檢測S基因，被激活的Cas13a將探針分子切成兩個更小的片段，最后通過試紙進行報告。
關于SHERLOCK技術：簡而言之，這類似于常見的早孕試紙，檢測試紙上的條帶數目（一條為陽性、兩條為陰性）可以反映使用者的呼吸中是否有新冠病毒（SARS-CoV-2）。
檢測原理圖
該研究開發的wFDCF口罩，是首個能夠在室溫下完成操作的、高準確率的新冠病毒核酸檢測設備，它無需加熱或冷卻儀器，從而可以便攜地在實驗室外快速篩查患者樣本。
Jim Collins?教授說道：“這項研究表明，凍干、無細胞合成生物學技術可擴展到可穿戴設備，并用于新的診斷應用，包括開發口罩診斷。更讓我自豪的是，我們的團隊在COVID-19大流行期間團結起來，為解決病原檢測挑戰，創造了全新的解決方案！”
可診斷SARS-CoV-2的可穿戴口罩
不僅如此，在論文中，研究人員還證明了可以將光纖網絡集成到wFCDF技術中，以此定量檢測生物反應產生的熒光，產生一個更客觀、更令人信服的定量數據，并且這個數字信號還可以發送到一個智能手機應用程序中，讓佩戴者實時監控自己接觸的各種物質。
更重要的是，這種wFCDF技術還具有十分廣泛的應用前景，它可以整合到口罩、衣服等穿戴物中。與此同時，它還具有多種檢測功能，例如病原診斷、危險化學品試劑檢測和神經毒氣檢測等等，適用于科學家、醫生、護士和應急部門人員，以及生活在COVID-19大流行陰影之下的廣大民眾。
wFCDF技術具有很強的整合靈活性和十分廣泛的應用前景
總而言之，Jim Collins?教授領導的研究團隊在COVID-19大流行期間，創造了一種對抗致命流行病的有力工具——基于wFCDF技術的診斷口罩。更令人印象深刻的是，這些可穿戴生物傳感器不僅可以應用于新冠病毒檢測，還能應對廣泛的健康威脅。
據悉，該團隊正在積極尋找有興趣幫助大規模生產可在COVID-19大流行期間使用的口罩診斷工具及檢測其他生物和環境危害的合作伙伴。
