当检测到污染物时，测试会发出绿色的光。信贷:西北大学
手持平台技术使用单一样品检测多种污染物。新平台使用无细胞合成生物来测试17种污染物，包括铅、铜、药品和化妆品。制造成本很低，工作时间很短。研究人员在加州天堂测试了这个平台，那里的野火导致毒素进入供水系统
一种新的平台技术可以评估水的安全和质量，只需要一滴水和几分钟。
该手持平台类似于怀孕测试，使用一个样本提供易于阅读的阳性或阴性结果。当检测到一种污染物超过EPA的标准时，它会发出绿色的光。
由美国西北大学研究人员领导的这项测试可以检测出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。这个由无细胞合成生物学驱动的平台非常灵活，研究人员可以不断更新它来感知更多的污染物。
朱利叶斯·拉克斯教授解释如何使用罗莎琳德。信贷:西北大学
西北大学的朱利叶斯·拉克斯领导了这项研究，他说:“目前的水测试依赖于一个中央实验室，其中包含非常昂贵的设备，需要专业知识来操作。”“寄送样本的费用可能高达150美元，需要数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他们自己的水，并在几分钟内知道他们是否受到污染。它使用起来非常简单，我们可以把它交到最需要它的人手中。”
这项研究将于今天(2020年7月6日)发表在《自然生物技术》杂志上。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。Lucks实验室的成员Jaeyoung Jung和Khalid Alam是这篇论文的第一作者之一。
分子“味蕾”
确保水质的一个主要挑战是，人们通常看不到或尝不到污染物。西北大学的平台利用合成生物学来感知这种不引人注意的污染，填补了人类感官缺失的空白。
在无细胞合成生物学中，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。这一想法类似于打开汽车的引擎盖，去掉引擎，使研究人员可以将引擎用于不同的目的，而不受汽车的限制。在这种情况下，Lucks的团队使用了来自细菌细胞的分子机制。
“大自然已经解决了这个问题，”阿拉姆说。“生物学花了超过30亿年的时间进化出一种优雅的检测污染物的解决方案。”
“我们发现了细菌是如何品尝水中食物的，”卢克斯补充说。“它们用很小的分子水平的‘味蕾’做到这一点。无细胞合成生物学允许我们把这些小分子味蕾取出来放入试管中。然后我们可以“重新连接”它们以产生视觉信号。它会发光，让用户快速轻松地看到水中是否有污染物。”
这些重新编程的“味蕾”被冷冻干燥，变得耐储存，然后放入试管中。向试管中加入一滴水——然后轻弹它——会引发化学反应，使冻干的小球在污染物存在的情况下发光。
“魔法就在管子里，”luck说。“我们合成所有东西，然后冷冻干燥——和制作宇航员冰淇淋的过程一样。”
受到科学领域女性的启发
卢克斯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”。但他的团队将其简称为罗莎琳德，以纪念与詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克一起发现DNA双螺旋结构的著名化学家罗莎琳德·富兰克林。富兰克林的100岁生日就在下个月(7月25日)。
“她的工作最终使我们学会了如何在我们的技术中重新编程DNA，”拉克斯说。
在开始这个项目时，拉克斯从他生命中的另一位女科学家那里获得了灵感:他的妻子、西北大学人类学家塞拉·杨(Sera Young)，她研究全球粮食和水安全，以及家庭用水不安全对社会福祉的作用。
“Sera研究糟糕的水质如何影响人们的日常生活，”Lucks说。“人们倾向于去最方便的水源取水。但如果他们知道水被污染了，他们可能会选择去更远的地方寻找更安全的水。我们希望每个人都有他们需要的工具，以便做出明智的决定。”
罗莎琳德在天堂
为了在现场测试新平台，Lucks, Jung, Alam和西北大学教授Jean-Francois Gaillard在去年年底访问了加州的Paradise。一年前，一系列大规模野火摧毁了加州北部的这座城镇，摧毁了近1.9万栋建筑，并导致大部分人口流离失所。Gaillard是环境工程学教授，是影响水生系统中金属的生物地球化学过程方面的专家。
“野火基本上融化了这座城镇，”卢克斯说。“他们烧毁建筑物，熔化汽车，向环境中释放有毒金属。”
幸运的是，Gaillard和他们的团队对ROSALIND进行了黄金标准的水质测试，发现ROSALIND能够确定供水中有毒金属的含量升高。它还提供了更快更便宜的结果。
卢克斯和他的团队设想，罗莎琳德可以帮助恢复工作，就像在天堂一样，居民需要进行数万次测试，以知道他们的社区是否安全，可以重新进入。
“实验室检测无法规模化，”阿拉姆说。“‘我的水喝起来安全吗?’”
在家测试的困难
当然，灾难并不是造成水不安全的唯一原因。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，洗掉人们的皮肤，最终进入水道。未使用的药品和除草剂也流入我们的水中，最后进入我们的水槽。
但是，除非我们能够直接并定期地检测这些污染物，否则就没有办法保持内心的平静。
在伊利诺斯州埃文斯顿的家中测试水时，拉克斯和杨注意到一些困难。连续数月或数年摄入高水平的铜会导致肝脏损伤甚至死亡。带着这样的担忧，Lucks决定检查他们家水中的铜含量。花费150美元，一个月后才收到结果。
“这是一次测试，”卢克斯说。“它不允许从家里不同的水龙头检查水平，也不允许随着时间的推移进行临时测试。”
检测铅含量也不容易。铅测试套件在大多数五金店都能买到。但在水管里灌满水后，它仍然必须邮寄到一个集中设施。每次检查的费用仍高达150美元，需要数周才能得到结果。如果人们想检查他们的水中是否有其他污染物，比如抗生素，对消费者来说根本没有测试。
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许多进展。”“但对于检测化学污染物来说，这还远远不够。”
“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，”拉克斯说。“有了ROSALIND这样一个简单、易用的手持设备，你可以在家里或野外测试水——这是你最希望使用它的地方。”
# # #
参考资料:“用于快速检测水污染物的无细胞生物传感器”，作者:Jaeyoung K. Jung, Khalid K. Alam, Matthew S. Verosloff, Daiana A. Capdevila, Morgane Desmau, Phillip R. Clauer, Jeong Wook Lee, Peter Q. Nguyen, Pablo A. Pastén, Sandrine J. Matiasek, Jean-François Gaillard, David P. Giedroc, James J. Collins和Julius B. Lucks, 2020年7月6日，Nature Biotechnology。DOI: 10.1038 / s41587 - 020 - 0571 - 7
这项名为“用于快速检测水污染物的无细胞生物传感器”的研究得到了美国国家科学基金会(奖项编号1452441和1929912)、美国国家卫生研究院(奖项编号R35 GM118157)、西北大学犹太人和以色列研究的Crown Family中心和芝加哥社区信托基金的塞尔基金的支持。
编者按:西北大学的创业公司Stemloop已经选择了ROSALIND技术，并计划将其商业化。幸运的是，如果它被商业化，Alam和Northwestern将会有经济利益(版税，股票)。
