科学家打造出可评估水污染程度的新型DNA计算机

领导这项研究的麦考密克工程学院的Julius B. Lucks介绍称：“我们对每个管子进行编程，从而使其具有不同的污染阈值。具有最低阈值的管子将会一直亮着。如果所有的管子都亮了，那么就会有一个大问题。建立电路和可编程的DNA计算为其他类型的智能诊断开辟了许多可能性。”

Lucks是Nothwestern Enginnering的化学和生物工程教授，也是Synthetic Biology中心的成员。该论文的共同作者包括Jaeyoung Jung、Chloé Archuleta和Khalid Alam--他们都来自美西北大学。

认识一下ROSALIND

这个新系统建立在Lucks及其团队于2020年7月在《Nature Biotechnology》上发表的工作基础上。在这项工作中，该团队介绍了ROSALIND，它可以感知一滴水中的17种不同污染物。当检测到污染物超过美国环境保护署(EPA)的标准时，它要么发绿光要么不发绿光，从而给出一个简单、易读的阳性或阴性结果。

为了开发ROSALIND，Lucks和他的团队采用了无细胞合成生物学。通过合成生物学，研究人员将分子机器--包括DNA、RNA和蛋白质--从细胞中取出，然后重新编程该机器以执行新任务。当时，Lucks将ROSALIND的内部运作比作“分子味蕾”。

他说道：“我们发现了细菌是如何自然地品尝它们水中的东西的。它们是用小分子级的‘味蕾’来做的。无细胞合成生物学使我们能把这些小分子味蕾拿出来并把它们放到试管中。然后我们可以给它们‘重新接线’以产生视觉信号。它发亮进而让用户快速、轻松地看到水中是否有污染物。”

分子脑力

现在，在新版本中--被称为ROSALIND 2.0--Lucks和他的团队增加了一个“分子大脑”。

“最初的平台是一个生物传感器，它的作用就像一个味蕾，”Lucks说道，“现在我们增加了一个基因网络，就像大脑一样工作。生物传感器检测污染，但随后生物传感器的输出进入遗传网络或电路，它像大脑一样工作并执行逻辑。”

研究人员将重新编程的“分子大脑”冷冻干燥，进而使其具有货架稳定性，然后将其放入试管。在每个试管中加入一滴水就会引发一个反应和相互作用的网络，最终使冻干的颗粒在有污染物的情况下发光。

为了测试这个新系统，Lucks和他的团队证明它可以成功地检测出锌、一种抗生素和一种工业代谢物的浓度水平。Lucks指出，提供污染水平--而不是简单的阳性或阴性结果--对于告知缓解策略非常重要。

“在我们推出ROSALIND后，人们表示他们想要一个也能提供浓度的平台。不同的污染物在不同的水平上需要不同的策略。如如果你的水中有低水平的铅，那么你也许可以通过在使用水管之前冲洗水管来解决。但如果你的水平很高，那么你需要立即停止饮水并更换你的水管。”

赋予个人权力

最终，Lucks和他的团队希望赋予个人权力以定期测试他们自己的水。有了像ROSALIND这样价格低廉的手持设备，这可能很快就会成为现实。

Lucks表示：“很明显，我们需要让人们获得信息以做出重要的、有时是拯救生命的决定。我们在COVID-19的家庭测试中看到了这一点。人们需要家庭测试，因为他们需要快速和定期的信息。这跟用水的情况类似。在许多情况下，需要对水质进行常规测量。这不是一次性的事情，因为污染水平会随着时间的推移而改变。”

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