靠谱的水质检测需要多久?7月6日发表在《自然-生物技术》(Nature Biotechnology)上的一项新技术能做到只需几分钟即可评估水的安全和质量。该技术由美国西北大学的研究人员领导开发,可以检测17种不同的污染物,包括铅和铜等有毒金属、药品、化妆品和清洁洗涤品。
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西北大学麦考密克工程与应用科学学院的化学和生物工程教授Julius Lucks为该论文的通讯作者,他也是合成生物学中心的成员。Lucks实验室的成员Jaeyoung Jung和Khalid Alam是这篇论文的共同第一作者。论文题为“Cell-free biosensors for rapid detection of water contaminants”。
Lucks表示,“目前的水测试依赖于一个中央实验室,配备非常昂贵的设备,同时要求专业化的操作。”他同时提到,“寄送样品的成本可能高达150美元,而且需要几周时间才能得到结果。我们提供的技术可以让任何人直接检测自己的水,并在几分钟内知道是否受到污染。它使用起来非常简单,我们可以把它送到最需要它的人手中。”
确保水质的一个主要挑战是人们通常看不到或尝不到污染物,这项新的技术西则填补了人类感官不足的空白,制造了分子“味蕾”。在无细胞合成生物学中,研究人员通常将包括DNA、RNA和蛋白质在内的分子机器从细胞中取出,然后对其重组以执行新的任务。
在这一原理下,Lucks团队使用了来自细菌细胞的分子机器。Alam 说,“大自然已经解决了这个问题,生物学已经花了30亿年的时间来研究一种检测污染物的优雅方法。”
“我们发现了细菌在水中是如何自然品尝的。”Lucks补充道,“它们通过小分子水平的‘味蕾’来实现,无细胞合成生物学使我们能够将这些小分子味蕾取出并放入试管中,然后把它们重新连接起来,产生视觉信号。它会发光,让使用者快速而容易地看到水中是否有污染物。”
这些重组的“味蕾”被冷冻干燥,使用者将其放入试管中,加入一滴水,然后轻轻搅动它,就会引发化学反应,使冻干的小球在有污染物存在的情况下发光。
Lucks团队将该测试平台命名为“配体诱导激活的RNA输出传感器(RNA Output Sensors Activated by Ligand Induction)”,同时简称其为“ROSALIND”,以纪念著名的化学家Rosalind Franklin。虽然“DNA之父”沃森和克里克发现了DNA双螺旋结构,但科学界同样认为Franklin功不可没,她获得的DNAX射线晶体衍射图被认为是解出DNA结构的关键线索。7月25日是Franklin的100岁生日。
Lucks说,“她的工作最终使我们学会了如何用我们的技术重新组装DNA。”
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ROSALIND系统
值得注意的是,研究团队还在“实战”中检测了他们的新平台。2018年年底,美国加利福尼亚州北部天堂镇(Paradise)发生了历史上最具破坏性的一次火灾,大火摧毁了近1.9万幢建筑,并导致该镇大部分居民流离失所。
2019年底,Lucks、Jung、Alam和他们在西北大学的同事Jean-Francois Gaillard(水生系统生物地球化学过程方面的专家)实地到访天堂镇。“野火基本上熔化了整个城镇烧毁建筑物、熔化汽车,把有毒金属排放到环境中。”Lucks说。
Lucks团队在用金标准测试的同时检验了他们开发的ROSALIND,发现ROSALIND能够识别水中升高的有毒金属的存在,同时提供了更快、更便宜的结果。
研究团队认为,除了灾害,环境中自然存在的重金属,比如铜和铅,也会渗入管道、污染家庭的水龙头和学校的饮水机。另外防晒霜和乳液等个人护理产品、未使用扔弃的药品和农业除草剂也会流入水中。而他们的快速检测平台都可以迅速准确地检测出结果。
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