Nat Biotechnol：开发出无细胞生物传感器，可快速检测水污染物

2020年7月18日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，一种新的平台技术只需一滴水和几分钟就可以评估水的安全和质量。类似于怀孕测试，这种手持平台使用样本来提供易读的阳性或阴性结果。当检测到污染物超过美国环保署（EPA）的标准时，它就会发出绿色的光。在美国西北大学研究人员的领导下，该测试可以检测17种不同的污染物，包括铅和铜等有毒金属、药品、化妆品和

2020年7月18日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，一种新的平台技术只需一滴水和几分钟就可以评估水的安全和质量。类似于怀孕测试，这种手持平台使用样本来提供易读的阳性或阴性结果。当检测到污染物超过美国环保署（EPA）的标准时，它就会发出绿色的光。

在美国西北大学研究人员的领导下，该测试可以检测17种不同的污染物，包括铅和铜等有毒金属、药品、化妆品和清洁产品。这种平台--由无细胞合成生物学提供动力--非常灵活，人们可以对它不断更新以检测更多的污染物。在这种平台中，高过程性RNA聚合酶、变构蛋白转录因子和合成的DNA转录模板相结合，可调节荧光激活RNA适配体（RNA aptamer）的合成。目标污染物的存在诱导了这种适配体的转录，从而导致荧光信号产生。相关研究结果近期发表在Nature Biotechnology期刊上，论文标题为“Cell-free biosensors for rapid detection of water contaminants”。论文通讯作者为西北大学麦考密克工程学院化学与生物工程教授Julius Lucks。论文第一作者为Lucks实验室的Jaeyoung Jung和Khalid Alam。
图片来自Nature Biotechnology, 2020, doi:10.1038/s41587-020-0571-7。
Lucks说，“目前的水测试依赖于中心化实验室，它包含非常昂贵的设备，并且需要专业知识来操作。寄送样本的成本可能高达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家里的水，并在几分钟内知道是否受到污染。它使用起来很简单，我们可以把它送到最需要它的人手中。”

分子“味蕾”

确保水质的一大挑战是，人们通常看不到或尝不到污染物。西北大学开发的这种平台利用合成生物学检测这种不易察觉的污染物，从而填补了人类感官不足的空白。

在无细胞的合成生物学中，这些研究人员将分子机器---包括DNA、RNA和蛋白---从细胞中取出，然后对这些分子机器进行重编程以执行新的任务。这个想法就像打开汽车的引擎盖，取出发动机，这使得人们将发动机用于不同的目的，而不局限于汽车。在这种情况下，Lucks研究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。生物已经花了30多亿年的时间进化出一种优雅的解决方案来检测污染物。”

Lucks补充道，“我们发现细菌如何自然地品尝水中的东西。它们用小分子级的‘味蕾’来做到这一点。无细胞合成生物学允许我们将这些小分子味蕾取出来，并将它们放入试管中。然后，我们可以将它们‘重新连接’起来，从而产生一种视觉信号。它会发光，让用户快速方便地看到水中是否有污染物。”

这些经过重编程的“味蕾”在冷冻干燥后，变得耐储藏，然后放入试管中。在试管中加入一滴水---然后轻弹一下它---引发化学反应，从而使得冻干的颗粒在污染物存在时发光。

Lucks说，“魔法就在试管里。我们把所有的东西组合起来，冷冻干燥，就像制作宇航员冰淇淋一样。”

受科学界女性的启发

Lucks和他的团队将这个测试平台称为“配体诱导激活的RNA输出传感器”。不过，他的团队给它起了个绰号，简称ROSALIND，以纪念著名化学家Rosalind Franklin。Franklin与James Watson和Francis Crick一起发现了DNA双螺旋结构。

Lucks说，“她的工作基本上最终使我们能够学习如何重编程DNA，以便在我们的技术中发挥作用。”

在启动这个研究项目时，Lucks从生活中的另一位女科学家那里获得了灵感：他的妻子，即西北大学人类学家Sera Young，她研究全球粮食和水安全，以及家庭水不安全在社会福祉中的作用。

Lucks说，“Sera研究水质不佳如何影响人们的日常生活。人们倾向于去最方便的水源取水。但是，如果他们知道水被污染了，他们可能会选择走得更远去寻找更安全的水。我们希望每个人都能拥有所需的工具，以便做出明智的决定。”

ROSALIND测试平台

为了实地测试这种新平台，Lucks、Jung、Alam和西北大学环境工程教授Jean-Francois Gaillard在去年年底访问了加州的天堂镇。一年前，一连串的大规模野火湮没了这个加州北部小镇，摧毁了近1.9万栋建筑，使得大部分人口流离失所。

Lucks说，“野火基本上把这个城镇夷为平地。它们烧毁了建筑物，融化了汽车，将有毒金属释放到环境中。”

Lucks、Gaillard和他们的团队在进行金标准水测试的同时测试了ROSALIND，发现ROSALIND能够识别供水中有毒金属的升高。它还提供了更快、成本更低的结果。

Lucks和他的团队设想，ROSALIND可以帮助诸如天堂镇之类的小镇的恢复工作。在天堂镇，居民需要进行数万次测试才能知道他们的社区是否可以安全地重新进入。

Alam说，“实验室测试无需放大规模。应该不需要几天时间就能得到一个简单问题的答案：‘我那里的水是否可以安全饮用？’”

在家测试的困难

当然，灾害并不是造成不安全用水的唯一原因。环境中自然存在的重金属，如铜和铅，会渗入管道，污染家庭水龙头和学校饮水机。个人护理产品，如防晒霜和乳液，从人们的皮肤上洗掉，最终进入水道。未用过的药品和农业除草剂也会流进我们的水里，最终进入我们的水槽。

但是，除非我们能直接---而且定期---检测这些污染物，否则就无法保持安心。

在伊利诺伊州埃文斯顿市的家中检测水时，Lucks和Young注意到了几个困难。多月或多年摄入高浓度的铜，会导致肝脏受损，甚至死亡。带着这种担忧，Lucks决定检查他们家水里的铜含量。花费150美元，需要一个月才能收到结果。

Lucks说，“这是一次性测试。它不允许测试房子里不同水龙头的铜水平，也不允许随着时间的推移进行多次测试。”

铅测试也没那么容易。大多数五金店都有铅检测试剂盒。但在将管子装满水后，还是必须将它邮寄到中心化实验室。每次测试的费用仍高达150美元，而且需要数周才能得到结果。如果人们想检查自己的水是否有其他污染物，比如抗生素，对消费者而言根本不存在这样的测试。

Jung说，“在开发用于监测病原体的使用点诊断方法方面已经取得了很多进展。但是，检测化学污染物的努力还远远不够。”Lucks说，“为了确保获得安全和清洁的饮用水，我们需要能够轻松监测水质的技术。通过像ROSALIND这样简单、易用的手持设备，你可以在家中或野外---你最想使用它的地方--对水进行检测。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.Jaeyoung K. Jung et al. Cell-free biosensors for rapid detection of water contaminants. Nature Biotechnology, 2020, doi:10.1038/s41587-020-0571-7.

2.'Pregnancy test for water' delivers fast, easy results on water quality
https://phys.org/news/2020-07-pregnancy-fast-easy-results-quality.html