DNA控制的生物計算機可檢測飲用水中污染物的濃度

由DNA控制的生物計算機提供了一種廉價(jià)且簡(jiǎn)單的方法，來(lái)檢測飲用水中污染物的濃度。實(shí)驗表明，計算機科學(xué)的邏輯運算可以被設計成DNA，使未來(lái)的生物計算機在檢測污染物方面的能力更加強大。

美國伊利諾伊州西北大學(xué)的Julius Lucks和同事在2020年發(fā)明了一種生物傳感器，它可以檢測一滴水中的污染物。其包含的蛋白質(zhì)可以通過(guò)產(chǎn)生熒光分子來(lái)對某些化學(xué)物質(zhì)的存在作出反應。這種易被發(fā)現的反應可以作為一種警告，表明水樣已被這些化學(xué)物質(zhì)污染了。

“所涉及的反應受到了細菌內部自然進(jìn)化機制的啟發(fā)。”Lucks說(shuō)，科學(xué)家最初試圖通過(guò)改造細菌來(lái)進(jìn)行測試，但要讓它們存活并阻止其擴散到環(huán)境中是一個(gè)挑戰。

“在合成生物學(xué)中，我們正試圖重新利用那些檢測毒素的分子機器，并對它們進(jìn)行重新設計，以便使它們按照我們希望的方式工作。”Lucks說(shuō)。

現在，該團隊已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種更先進(jìn)的系統，不僅可以危險化學(xué)品的存在發(fā)出警告，還可以報告其存在的數量，以便采取相應措施。

這個(gè)被稱(chēng)為ROSALIND 2.0的系統有8個(gè)小試管，每個(gè)試管都包含一個(gè)對污染物具有不同靈敏度的生物傳感器。如果只有一個(gè)試管發(fā)光，那么水樣就只有微量污染。但隨著(zhù)更多的試管發(fā)光，就證明水污染越來(lái)越嚴重。

“該測試通過(guò)使用‘誘餌’DNA鏈來(lái)工作。”Lucks說(shuō)，它們被設計成與污染物反應中的關(guān)鍵中間產(chǎn)物緊密結合，防止最終熒光產(chǎn)物的產(chǎn)生。

每個(gè)試管中的這種DNA數量逐漸增多。因為反應的最后熒光步驟只發(fā)生在誘餌DNA被用完之后，這意味著(zhù)含有少量誘餌DNA的試管可能會(huì )在污染物的存在下發(fā)出熒光，但含有大量DNA的試管可能不會(huì )?？梢院?jiǎn)單地通過(guò)觀(guān)察熒光反應在8個(gè)試管的哪一排停止來(lái)測量污染物的水平。

Lucks團隊證明ROSALIND 2.0可以成功檢測鋅、一種抗生素和一種工業(yè)代謝物。

無(wú)細胞測試還可以冷凍干燥，便于儲存和運輸，需要時(shí)只需將水樣放入每個(gè)試管即可激活。

確定污染物的濃度有助于決定必要的補救措施。例如，如果你的飲用水中含有微量鉛，那么你可能只需要在使用前沖洗水管，但如果含量很高，就需要立即停止飲用。

“每個(gè)人都應該擁有這些東西。”Lucks說(shuō)，“你應該知道你的水是否可以安全飲用。”

考慮到現有的水質(zhì)評估技術(shù)可能非常昂貴，Lucks希望ROSALIND 2.0能對此有所幫助。他說(shuō)：“我們正試圖制造出你能想象到的最簡(jiǎn)單、最強大的產(chǎn)品，所以希望它是萬(wàn)無(wú)一失的。”。

Lucks團隊還證明，經(jīng)過(guò)改造的DNA可以用來(lái)進(jìn)行邏輯運算，它不僅可以像ROSALIND 2.0那樣，在一種物質(zhì)存在時(shí)發(fā)生反應。而且他們相信只有當兩種特定的化學(xué)物質(zhì)被發(fā)現時(shí)，或者兩種化學(xué)物質(zhì)都沒(méi)有被發(fā)現時(shí)，也可以使它發(fā)生反應。這為將更復雜的分析構建到易于使用的測試中鋪平了道路。

相關(guān)論文發(fā)表于2月17日出版的《自然—化學(xué)生物學(xué)》。(作者：李木子)

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