新的DNA计算机可以评估水质

　　

   

   

图:装有水样本的试管在照明器内发出绿光，表示受到污染。

美国西北大学的合成生物学家开发出一种低成本、易于使用的手持设备，它可以在短短几分钟内让用户知道他们的水是否可以安全饮用。

这种新设备的工作原理是利用强大的可编程基因网络，模仿电子电路，执行一系列逻辑功能。

例如，在基于dna的电路中，研究人员将无细胞分子改造成模数转换器(ADC)，这是一种普遍存在于几乎所有电子设备中的电路类型。在水质装置中，ADC电路处理模拟输入(污染物)并产生数字输出(通知用户的可视信号)。

这项研究将发表在2月17日的《自然化学生物学》杂志上。

该设备由8个小试管组成，当检测到污染物时，它会发出绿光。发光的电子管的数量取决于存在多少污染。如果只有一根管子发光，那么水样就有微量的污染。但如果8根管子都发光，水就被严重污染了。换句话说，污染浓度越高，信号越高。

领导这项研究的西北大学的朱利叶斯·b·卢卡斯(Julius B. Lucks)说:“我们为每个管道设定了不同的污染阈值。”“最低阈值的灯管会一直亮着。如果所有的管子都亮了，那就有大问题了。构建电路和可编程DNA计算为其他类型的智能诊断开辟了许多可能性。”

卢克斯是西北大学麦考密克工程学院的化学和生物工程教授，也是合成生物学中心的成员。论文的共同作者包括Jaeyoung Jung, Chloé Archuleta和Khalid Alam，他们都来自西北大学。

新系统建立在拉克斯和他的团队于2020年7月发表在《自然生物技术》杂志上的工作基础上。在这项工作中，该团队引入了ROSALIND(以著名化学家罗莎琳德·富兰克林的名字命名，是“由配体诱导激活的RNA输出传感器”的缩写)，它可以感知一滴水中17种不同的污染物。当检测到污染物超过美国环境保护署(u.s. Environmental Protection Agency)的标准时，它要么发出绿色的光，要么不发出简单易读的阳性或阴性结果。

为了开发ROSALIND，拉克斯和他的团队采用了无细胞合成生物学。利用合成生物学，研究人员将分子机制——包括DNA、RNA和蛋白质——从细胞中取出，然后对这些机制进行重新编程，以执行新的任务。当时，卢克斯把罗莎琳德的内部工作方式比作“分子味蕾”。

“我们发现了细菌在它们的水中是如何自然地品尝东西的，”他说。“它们只有很小的分子水平的‘味蕾’。“无细胞合成生物学使我们能够将这些小分子味蕾取出，并将它们放入试管中。”然后，我们可以“重新连接”它们，以产生视觉信号。它会发光，让使用者快速而容易地看到水中是否有污染物。”

现在，在名为ROSALIND 2.0的新版本中，Lucks和他的团队添加了一个“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，”拉克斯说。“现在我们又增加了一个工作原理类似大脑的基因网络。生物传感器检测污染，然后生物传感器的输出输入基因网络或电路，该电路像大脑一样工作，执行逻辑。”

研究人员将重新编程的“分子大脑”冷冻干燥，使其保持货架稳定性，然后将它们放入试管中。在每个试管中加入一滴水会引发一系列的反应和相互作用，最终导致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，拉克斯和他的团队证明它可以成功地检测锌、一种抗生素和一种工业代谢物的浓度水平。Lucks说，给出污染水平——而不是简单的正面或负面结果——对于告知减排战略很重要。

“在我们推出ROSALIND之后，人们说他们想要一个可以显示浓度的平台，”他说。“不同水平的污染物需要不同的策略。例如，如果你的水含铅量很低，那么你可以通过在使用之前冲洗你的水管来忍受它。但如果你的水含量高，那么你需要立即停止喝水，并更换水管。”

最终，拉克斯和他的团队希望能够让人们能够定期测试自己的水。有了像罗莎琳德这样廉价的手持设备，这可能很快就会成为现实。

“很明显，我们需要让人们利用信息做出重要的、有时甚至是挽救生命的决定，”拉克斯说。“我们通过COVID-19的家庭检测看到了这一点。人们需要在家进行检测，因为他们需要快速和定期的信息。它和水很相似。在许多情况下，水质需要例行测量。这不是一次性的事情，因为污染水平会随着时间的推移而变化。”

文章标题

Programming cell-free biosensors with DNA strand displacement circuits