研究人员用新的简单的颜色变化测试来检测水中的氟化物

【字体: 时间:2023年01月06日 来源:Science Advances

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  无细胞传感器可用于水中——也许有一天也可用于人体——以确定氟化物和其他污染物的安全水平,现有的监测人体或环境中化学物质浓度的方法既复杂又昂贵。氟被世界卫生组织列为饮用水的三大污染物之一。

  
   

Cell-free biosensors    

图片:无细胞生物传感器示意图    


氟化物、铅和农药等环境污染物无处不在,甚至存在于我们体内。虽然研究人员有简单的方法在实验室环境中测量这些污染物的浓度,但在现场测试要困难得多。这是因为它们需要昂贵的专业设备。

最近在合成生物学方面的努力利用细胞生物传感器以一种具有成本效益和现场部署的方式检测和报告环境污染物。即使取得了进展,科学家们也一直在努力回答如何保护传感器组件不受提取样本中自然存在的物质的影响。

西北大学的一个合成生物学家跨学科团队正在开发一种传感器平台,该平台将能够检测现实世界样本中的一系列环境和生物目标。利用一种已建立的核糖开关来构建氟化物生物传感器,研究小组发现它们既能保护传感器,又能像细胞一样将传感器封装在脂肪膜内。

在1月4日发表在《科学进展》杂志上的一篇新论文中,研究人员证明,通过修改脂质双分子层膜的组成和穿透性,他们可以进一步调整和控制传感器的性能。

西北大学麦考密克工程学院(Northwestern 's McCormick School of engineering)化学与生物工程教授、联合通讯作者Julius Lucks说:“产生了如此多的数据,其中很多是由智能手表等健康应用程序驱动的。”“我们可以感知心跳、体温,但仔细想想,我们真的没有办法感知化学物质。我们生活在一个信息时代,但我们拥有的信息是如此之少——化学传感打开了你可以利用的巨大信息维度。”

Lucks还是化学和生物工程系的副主任。他的实验室通过研究RNA及其在细胞中的作用,推进了该领域对分子系统对环境变化的响应的理解;细胞如何利用RNA来感知环境的变化;以及如何在无细胞系统中使用这些概念来监测环境的健康和可持续性。

无细胞合成生物学,即工程生物分子系统被用来激活生物机械而不是活细胞,因其高效、多功能和低成本而引人注目。Lucks设计了一种利用细菌细胞提取物为基因表达反应提供动力的核糖开关传感器(包括荧光RNA或对污染物做出反应而发光的蛋白质),可以在几分钟内廉价地产生视觉输出。

Neha Kamat是麦考密克生物医学工程的助理教授,也是共同通讯作者,最初在他们的教员培训中遇到了Lucks,并对他扩大信息获取的愿望感兴趣。Kamat的专长是工程膜和膜组装,她想知道她是否可以使用囊泡(一种有两层的膜)使Lucks的试管系统更好。

Kamat说:“他们正在使用RNA及其相关机制来感知真实水样中的分子,并产生有意义的输出。”“我的实验室对通常用于包裹mRNA用于药物传递的脂类进行了大量研究,目标是使用这些隔室来构建更多的细胞状结构。我们的想法是,我们可以保护朱利叶斯的开关,让它们在可能被其他污染物污染的样本中工作,就像细胞一样。”

其他研究人员曾尝试在膜内放置传感器,但开关停止正常工作,产生的信号要小得多,因为很难将所有东西都装进小容器中,然后再将其放大。为了克服这一问题,研究小组修改了传感器中的基因输出,对其进行放大和着色,这样肉眼就能看到,“你不需要花哨的探测器来做到这一点,”拉克斯说。

封装和保护对于传感器来说非常重要,以使其在原生环境中正常工作,就像废水通道中有许多其他污染物侵蚀开关。这将是“分布式传感”的一个例子,可以在从农业到人类健康等领域提供帮助。

当他们获得西北大学生命过程化学研究所(CLP)的Cornew创新奖时,他们更正式地走到了一起,向CLP的顾问委员会介绍了他们“潜在的颠覆性”想法。该团队获得了种子基金来实现他们的想法。

Lucks称这个项目是一个“起点”,他们将能够将传感器嵌入到更多的材料中,包括可以改变属性的“智能”材料,就像在生物学中一样。

“作为合成生物学家,我们的主要主题之一是发现挑战并关注自然。”“它已经在做什么?”我们能否在此基础上,让它更多地满足我们的需求。”

氟化物成为了一个明显的选择,因为有一种天然的RNA分子可以感知它,这使得研究小组可以设计一种更简单的机制。但在未来,Kamat和Lucks对传感器的应用范围有很高的期望。

例如,传感器可以通过人体流动来检测小分子和生物标记物,然后再通过尿液或其他被动方法回收传感器。它还可以检测土壤中的硝酸盐水平,并帮助监测径流。除此之外,Lucks还很兴奋地看到软机器人等材料科学领域的应用,他们正在考虑如何建造类似蝴蝶的东西,通过它的脚来闻气味。

文章标题

Robust and tunable performance of a cell-free biosensor encapsulated in lipid vesicles


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