西北大学研发只需几分钟完成水质检测的无细胞生物传感器

靠谱的水质检测需要多久?7月6日发表在《自然-生物技术》(Nature Biotechnology)上的一项新技术能做到只需几分钟即可评估水的安全和质量。该技术由美国西北大学的研究人员领导开发，可以检测17种不同的污染物，包括铅和铜等有毒金属、药品、化妆品和清洁洗涤品。

研究团队将该技术和妊娠测试类比，这个手持式平台可以提供一个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)标准时，它就会发出绿光。这一灵活的平台由无细胞合成生物学技术支撑，研究人员可以不断更新以检测更多的污染物。

西北大学麦考密克工程与应用科学学院的化学和生物工程教授Julius Lucks为该论文的通讯作者，他也是合成生物学中心的成员。Lucks实验室的成员Jaeyoung Jung和Khalid Alam是这篇论文的共同第一作者。论文题目为“Cell-free biosensors for rapid detection of water contaminants”。

Lucks表示，“目前的水测试依赖于中央实验室，配备非常昂贵的设备，同时要求专业化的操作。”他同时提到，“寄送样品的成本可能高达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水质，并在几分钟内知道是否受到污染。它使用起来非常简单，我们可以将其交到最需要它的人手中。”

确保水质的一个主要挑战是人们通常看不到或尝不出污染物，这项新的技术填补了人类感官不足的空白，制造出分子“味蕾”。在无细胞合成生物学中，研究人员通常将包括DNA、RNA和蛋白质在内的分子机制从细胞中取出，然后对其重组以执行新的任务。

在这一原理下，Lucks团队使用了来自细菌细胞的分子机制。Alam 说，“大自然已经帮助我们解决了这个问题，生物学已经花了30亿年的时间开发出一种优雅地检测污染物的解决方案。”

“我们发现了细菌在水中是如何自然品尝的。”Lucks补充道，“它们通过小分子水平的‘味蕾’来实现，无细胞合成生物学使我们能够将这些小分子味蕾取出并放入试管中，然后把它们重新连接起来，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。”这些重组的“味蕾”被冷冻干燥，使用者将其放入试管中，加入一滴水，然后轻轻搅动它，就会引发化学反应，使冻干的小球在有污染物存在的情况下发光。

Lucks团队将该测试平台命名为“配体诱导激活的RNA输出传感器(RNA Output Sensors Activated by Ligand Induction)”，同时简称其为“ROSALIND”，以纪念著名的化学家Rosalind Franklin。

ROSALIND系统

值得注意的是，研究团队还在“实战”中检测了他们的新平台。2018年年底，美国加利福尼亚州北部天堂镇(Paradise)发生了历史上最具破坏性的一次火灾，大火摧毁了近1.9万幢建筑，并导致该镇大部分居民流离失所。

2019年底，Lucks、Jung、Alam和他们在西北大学的同事Jean-Francois Gaillard(水生系统生物地球化学过程方面的专家)实地到访天堂镇。“野火基本上熔化了整个城镇烧毁建筑物、熔化汽车，把有毒金属排放到环境中。”Lucks说。

Lucks团队在用金标准测试的同时检验了他们开发的ROSALIND，发现ROSALIND能够识别水中升高的有毒金属的存在，同时提供了更快、更便宜的结果。

研究团队认为，除了灾害，环境中自然存在的重金属，比如铜和铅，也会渗入管道、污染家庭的水龙头和学校的饮水机。另外防晒霜和乳液等个人护理产品、未使用扔弃的药品和农业除草剂也会流入水中。而他们的快速检测平台都可以迅速准确地检测出结果。