西北大學(xué)研發(fā)只需幾分鐘完成水質(zhì)檢測的無細(xì)胞生物傳感器

靠譜的水質(zhì)檢測需要多久?7月6日發(fā)表在《自然-生物技術(shù)》(Nature Biotechnology)上的一項(xiàng)新技術(shù)能做到只需幾分鐘即可評估水的安全和質(zhì)量。該技術(shù)由美國西北大學(xué)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)，可以檢測17種不同的污染物，包括鉛和銅等有毒金屬、藥品、化妝品和清潔洗滌品。

研究團(tuán)隊(duì)將該技術(shù)和妊娠測試類比，這個(gè)手持式平臺可以提供一個(gè)易讀的陽性或陰性結(jié)果，當(dāng)檢測到污染物超過美國環(huán)保署(EPA)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，它就會(huì)發(fā)出綠光。這一靈活的平臺由無細(xì)胞合成生物學(xué)技術(shù)支撐，研究人員可以不斷更新以檢測更多的污染物。

西北大學(xué)麥考密克工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的化學(xué)和生物工程教授Julius Lucks為該論文的通訊作者，他也是合成生物學(xué)中心的成員。Lucks實(shí)驗(yàn)室的成員Jaeyoung Jung和Khalid Alam是這篇論文的共同第一作者。論文題目為“Cell-free biosensors for rapid detection of water contaminants”。

Lucks表示，“目前的水測試依賴于中央實(shí)驗(yàn)室，配備非常昂貴的設(shè)備，同時(shí)要求專業(yè)化的操作?！彼瑫r(shí)提到，“寄送樣品的成本可能高達(dá)150美元，而且需要幾周時(shí)間才能得到結(jié)果。我們提供的技術(shù)可以讓任何人直接檢測水質(zhì)，并在幾分鐘內(nèi)知道是否受到污染。它使用起來非常簡單，我們可以將其交到最需要它的人手中?！?/p>

確保水質(zhì)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是人們通?？床坏交驀L不出污染物，這項(xiàng)新的技術(shù)填補(bǔ)了人類感官不足的空白，制造出分子“味蕾”。在無細(xì)胞合成生物學(xué)中，研究人員通常將包括DNA、RNA和蛋白質(zhì)在內(nèi)的分子機(jī)制從細(xì)胞中取出，然后對其重組以執(zhí)行新的任務(wù)。

在這一原理下，Lucks團(tuán)隊(duì)使用了來自細(xì)菌細(xì)胞的分子機(jī)制。Alam 說，“大自然已經(jīng)幫助我們解決了這個(gè)問題，生物學(xué)已經(jīng)花了30億年的時(shí)間開發(fā)出一種優(yōu)雅地檢測污染物的解決方案。”

“我們發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌在水中是如何自然品嘗的?！盠ucks補(bǔ)充道，“它們通過小分子水平的‘味蕾’來實(shí)現(xiàn)，無細(xì)胞合成生物學(xué)使我們能夠?qū)⑦@些小分子味蕾取出并放入試管中，然后把它們重新連接起來，產(chǎn)生視覺信號。它會(huì)發(fā)光，讓使用者快速而容易地看到水中是否有污染物。”這些重組的“味蕾”被冷凍干燥，使用者將其放入試管中，加入一滴水，然后輕輕攪動(dòng)它，就會(huì)引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，使凍干的小球在有污染物存在的情況下發(fā)光。

Lucks團(tuán)隊(duì)將該測試平臺命名為“配體誘導(dǎo)激活的RNA輸出傳感器(RNA Output Sensors Activated by Ligand Induction)”，同時(shí)簡稱其為“ROSALIND”，以紀(jì)念著名的化學(xué)家Rosalind Franklin。

ROSALIND系統(tǒng)

值得注意的是，研究團(tuán)隊(duì)還在“實(shí)戰(zhàn)”中檢測了他們的新平臺。2018年年底，美國加利福尼亞州北部天堂鎮(zhèn)(Paradise)發(fā)生了歷史上最具破壞性的一次火災(zāi)，大火摧毀了近1.9萬幢建筑，并導(dǎo)致該鎮(zhèn)大部分居民流離失所。

2019年底，Lucks、Jung、Alam和他們在西北大學(xué)的同事Jean-Francois Gaillard(水生系統(tǒng)生物地球化學(xué)過程方面的專家)實(shí)地到訪天堂鎮(zhèn)?！耙盎鸹旧先刍苏麄€(gè)城鎮(zhèn)燒毀建筑物、熔化汽車，把有毒金屬排放到環(huán)境中?！盠ucks說。

Lucks團(tuán)隊(duì)在用金標(biāo)準(zhǔn)測試的同時(shí)檢驗(yàn)了他們開發(fā)的ROSALIND，發(fā)現(xiàn)ROSALIND能夠識別水中升高的有毒金屬的存在，同時(shí)提供了更快、更便宜的結(jié)果。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，除了災(zāi)害，環(huán)境中自然存在的重金屬，比如銅和鉛，也會(huì)滲入管道、污染家庭的水龍頭和學(xué)校的飲水機(jī)。另外防曬霜和乳液等個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品、未使用扔棄的藥品和農(nóng)業(yè)除草劑也會(huì)流入水中。而他們的快速檢測平臺都可以迅速準(zhǔn)確地檢測出結(jié)果。