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滴水认污——无细胞生物传感器ROSALIND或将颠覆水质监测市场

发布日期:2021-05-30 来源: IWA国际水协会
  水中有害污染物的检测,说难好像也不难,例如某A字开头的仪器公司发过论文称其GC/MS/MS系统一针进样可以分析样品中的865种农残和环境污染物;另外也有报道称国内的重点实验室有能力监测200多种空气、水质、土壤等环境污染物。但首先这里的前提条件是你得找到有这样条件的实验室,其次是你得付得起检测的费用。但检测价格往往不菲,还需要专业人员才现场采集样品后,拿回实验室进行处理分析,毕竟实验室不仅仅单做你一个样品,所以最后你可能得等上数周才能得到检测结果。对于那些缺乏检测设备的地区,水质检测就更难了。
  不过最近,美国西北大学的科研团队的一项新技术也许能颠覆水质监测市场的格局。他们在今年7月的《自然-生物技术》(Nature Biotechnology)期刊上发表了一篇文章,题为《Cell-free biosensors for rapid detection of water contaminants》,介绍了他们研发的一款3D打印的手持式设备,只需要几滴水样,即可在几分钟时间内检出水中的十几种污染物,成本不过几美分。这是什么黑科技?我们一起来看个究竟。
  
  图. 西北大学研发的水质监测新设备 | 图源:YouTube截图
  傻瓜式操作
  这篇文章的通讯作者Julius Lucks教授将这项技术类比验孕棒,操作十分简单:向每个管内加入水样后,适当地快速抖几下,盖上瓶盖,放回管槽,打开亮灯,就能知道结果。如下图所示,有两个管内装有样品,其中一个发光,说明样品中含有污染物,如果发光程度高,则说明超出了环保署EPA的标准要求。

  图. 阳性阴性一清二楚 |图源:YouTube截图
  有了这个检测盒,大家都能成为检测员,而且几分钟之内就能知道结果,例如可以让使用者判断某水源可否饮用。他们称上面这个可以单手掌控的小盒子可以检测17种不同的污染物,包括铅和铜等有毒金属、医药品(抗生素)、化妆品和清洁洗涤剂等。
  当合成生物学遇上水质监测
  一瓶无色的水样不等于它就是干净的。但你叫人去尝味也是不可能的——因为一旦尝到有毒有害物质,我们的身体是会有反应的,俗称中毒。对于中毒者我们当然深表遗憾,但有科学家会提问:我们的细胞是怎么判断“待测物”是否有毒的呢?
  研究团队就从细菌细胞的运作机制中得到灵感,将细胞中的重要组成,包括DNA、RNA和蛋白等物质进行重新组合,成为一个无细胞的体外转录系统。如果没搞懂他们在干啥?我们来打个比喻:想象一下你把一辆飞机的发动机拆了下来,然后把它用来干别的事情。这可不是瞎编,例如百度一下就能查到中兵集团用喷气发动机改装成机场的超级吹雪机的案例。同样地,科学家对这些细胞内的部分模块进行组装之后,就能成为一个小巧的生物传感器。
  “大自然用30亿年的时间进化出毒性检测的方法,”文章共同一作的Khalid Alam介绍说,“我们发现细菌会有专门的分子来逐一‘尝出’水中的物质。” 他们要做的就是用无细胞合成生物学技术,将这些特定分子以冷冻干燥(lyoprotection)的形式组装到小管内,当遇到目标污染物的时候,就会发生化学反应,产生发光物质,这就能让使用者快速知道水中是否含有特定污染物。
  再专业点说,他们使用的分子是高效RNA聚合酶(RNAPs)、变构蛋白转录因子和合成DNA转录模板的组合。目标污染物的存在诱导RNA适配体的转录,并产生荧光信号。他们加入RNA反馈线路(feedback circuit)可以无需蛋白质工程(protein engineering)的情况下反转响应,减少不同信号通路之间的交联(crosstalk),从而提高灵敏度。
  Lucks教授的团队将这套系统取名为ROSALIND,全称为RNA Output Sensors Activated by Ligand Induction,中文直译即为配体诱导激活的RNA输出传感器。为何如此起名?除了清晰描述运作机理外,还为了能够拼出ROSALIND这个简称,以便向著名科学家Rosalind Franklin致敬。Rosalind Franklin是谁?对我们水圈的人可能有点陌生,但学生物的人应该都知道,她是DNA双螺旋结构这一重大发现的重要贡献者之一。当年是她用X射线测晶法得到DNA的第一张晶体衍射图的,这被后人认为是解锁DNA结构的关键线索。今年的7月25日正好是她诞辰100周年纪念日,所以团队用这种方式致以纪念。
  
  图. RNA聚合酶、变构蛋白转录因子和合成DNA转录模板的组合 |图源:Nature Biotechnology
  
  图. ROSALIND检测系统原理|图源:Nature Biotechnology
  加州“天堂”的实测
  光在实验室得到数据是很难让人信服的,所以研究团队要去实地测试他们的设备。他们选择了美国加州的天堂镇作为测试地点。有留意新闻的朋友可能记得在2018年年底,加州北部的天堂镇(Paradise)发生了历史上极其恐怖的一次火灾,大火过境之处,居民家园皆被夷为平地,摧毁建筑近1.9万幢,该镇许多居民因此流离失所。
  除了财产受损,这些被毁坏的建筑、烧熔的汽车也将一些有毒金属释放到环境中,例如当地的水道。他们想验证ROSALIND的检测效果,因此他们还同时进行了常规的水样采集和监测,以便进行比对。在这次实测中,他们使用了三种传感器,包括锌传感器(SmtB)、铜传感器(CsoR)和阻断Cu-Zn信号交联的Cu-NIMPLY-Zn传感器。
  如下图所示,传感器在伊利诺伊州制备好之后,在常温环境下连夜运至加州的Chico。为了方便通过肉眼对取样水进行对比,他们用实验室级别的纯水进行对照反应。
  
  图. 研究团队在加州的四个采样点 |图源:Nature Biotechnology
  结果显示:采样团队到达加州后,在四个不同地点的水样进行采集和过滤后,滴入传感器的样品管内,并在37°的温度下孵化4小时。下图是测试结果。他们对样品放入ROSALIND荧光器两小时和过夜一晚之后的情况进行拍照对比。然后样品运回伊利诺伊州的实验室用荧光读板器进行量化测量。由于转录反应彻底完成,所以荧光信号可以保持稳定,运输过程不会引起变化。
  实验室的火焰原子吸收光谱法分析结果显示,四个采样点中,有两个只含有锌,其他两个包含锌和铜。这和ROSALIND传感器的显示结果一致。
  为了进一步考察ROSALIND对复杂基质的灵敏度,他们之后还对添加了铜的密歇根湖水样和智利地表水(铜含量高)进行测试。测试结果,尽管有些荧光信号受到了抑制,但能够指示环境水样的污染物。在这次实测中,我们也看到冷冻干燥技术可以防止ROSALIND在运输过程中失效,提高了存储的便利性。
  
  图. 测试结果 |图源:Nature Biotechnology
  除了重金属(例如铅和铜),防晒霜和乳液等个人护理品、抗生素药品和农业除草剂等化学物质也会进入水环境,甚至渗入水管道、家里的水龙头和学校的饮水机等地方。研究团队认为他们的快速检测平台能为这些场景的水质监测提供快速准确的替代方案。
  RNA检测爆发元年
  这个水质生物传感器只是Lucks教授团队近年的科研成果之一。Lucks教授的团队近年一直进行RNA折叠形状的相关研究,他们发现一系列RNA分子的折叠有相似性,背后可能有其对应的功能,他将这些RNA分子称作核糖开关。
  Lucks去年10月接受采访时候还说 “随着我们对RNA分子工作原理的加深,我们能更好地发挥它们的作用。我们希望它们能够更快、更灵敏地为人类服务。我们仍在学习中,但我们离产品已经很接近了。”没想到,不到一年的时间,他们就已经实实在在做出了检测水污染物的生物传感器原型。
  这么看来,2020年可能会是RNA技术的爆发元年。除了这种基于RNA转录的传感器,全球各大药企争相研发的新冠疫苗也是mRNA疫苗。虽然众多水处理技术是基于生物技术发展而来,但做生物研究的人其实对水行业知之甚少。然而,随着基因测序技术成本的降低和基因编辑技术的普及,水行业和生物行业的那堵无形的墙似乎已经慢慢消融。
  有个大胆的猜想:在2030年之后,那些有钱的生物技术公司会不会开始收购污水厂作为它们的资产及数据库?有心的读者可以保留此文——如果10年后还有微信这玩意,我们一起回来打开这个时间胶囊,看看这个猜想有否成真。
  
  图. ROSALIND荧光器的解构 |图源:Nature Biotechnology
  参考资料
  https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HJHX201606027.htm
  http://news.ifeng.com/c/7faGPsXXmX4
  https://news.northwestern.edu/stories/2020/06/pregnancy-test-for-water-delivers-fast-easy-results-on-water-quality/
  https://www.youtube.com/watch?v=Zw-DKyIeP78&feature=youtu.be
  https://www.nature.com/articles/s41587-020-0571-7#Fig1
  https://www.nsf.gov/news/mmg/mmg_disp.jsp?med_id=186632&from=
  https://www.mccormick.northwestern.edu/news/articles/2019/10/uncovering-the-principles-behind-rna-folding.html
  https://luckslab.org/research/dynamic-rna-folding-and-function/
  https://m.thepaper.cn/yidian_promDetail.jsp?contid=8162138&from=yidian