物理科技生物学-PHYICA

新的DNA计算机评估水质

化学 2022-10-03 00:02:06

西北大学 装有水样的试管在一个照明器内发绿光,表明有污染

鸣谢:西北大学 西北大学合成生物学家开发了一种低成本、易于使用的手持设备,可以让用户在几分钟内知道他们的水是否可以安全饮用

这种新设备通过使用强大的可编程遗传网络工作,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设计成模数转换器(ADC),这是一种几乎所有电子设备中都存在的普遍电路类型

在水质设备中,ADC电路处理模拟输入(污染物)并产生数字输出(通知用户的视觉信号)

这项研究将于2月20日发表

17发表在《自然化学生物学》杂志上

该设备配备了一系列的八个小试管,当它检测到污染物时会发出绿光

发光管的数量取决于污染物的多少

如果只有一个试管发光,那么水样有微量污染

但是如果八根管子都发光,那么水就被严重污染了

换句话说,污染物浓度越高,信号越强

西北大学的朱利叶斯·B说:“我们给每个试管设定了不同的污染阈值。”

领导这项研究的Lucks博士说

“具有最低阈值的管将一直亮着

如果所有的灯管都亮了,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化学和生物工程教授,也是合成生物学中心成员

这篇论文的合著者包括Jaeyoung Jung、Chloé Archuleta和Khalid Alam——他们都来自西北大学

见见罗莎琳德 新系统建立在Lucks和他的团队于2020年7月在《自然生物技术》上发表的工作基础上

在这项工作中,该团队引入了罗莎琳德(以著名化学家罗莎琳德·富兰克林命名,是“配体诱导激活的RNA输出传感器”的缩写),它可以感应一滴水中的17种不同污染物

当检测发现污染物超过美国标准时

按照美国环境保护署的标准,它要么发绿光,要么不给出一个简单、易读的阳性或阴性结果

为了开发罗莎琳德,卢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,研究人员从细胞中取出分子机器——包括DNA、RNA和蛋白质——然后对该机器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比作“分子味蕾”

" “我们发现了细菌如何自然地品尝水中的东西,”他说

“它们用很少的分子水平的‘味蕾’来做这些

无细胞合成生物学允许我们将那些小分子味蕾取出,放入试管中

然后我们可以“重新连线”它们来产生一个视觉信号

它会发光,让用户快速而容易地看到水中是否有污染物

" 测试来自加利福尼亚受野火影响地区的水

鸣谢:西北大学 分子智能 现在,在新版本——被称为罗莎琳德2号

0——Lucks和他的团队增加了一个“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,”吕克斯说

“现在我们增加了一个像大脑一样工作的基因网络

生物传感器检测污染,但随后生物传感器的输出馈入基因网络,或电路,它像大脑一样工作以执行逻辑

" 研究人员将重新编程的“分子大脑”冷冻干燥,使其耐储存,然后将其放入试管中

向每个试管中加入一滴水会引发一个反应和相互作用的网络,最终导致冻干颗粒在污染物存在的情况下发光

为了测试新系统,Lucks和他的团队证明了它可以成功地检测锌、抗生素和工业代谢物的浓度水平

吕克斯说,给出污染水平——而不是简单的正面或负面结果——对于制定缓解策略非常重要

“在我们推出罗莎琳德后,人们说他们想要一个也能给出浓度值的平台,”他说

“不同水平的不同污染物需要不同的策略

例如,如果你的水中含铅量很低,那么你可以通过在使用之前冲洗水管来忍受它

但是如果你有高水平,那么你需要立即停止喝水,更换你的水管

" 赋予个人权力 最终,Lucks和他的团队希望授权个人定期测试他们自己的水

有了像罗莎琳德这样便宜的手持设备,这可能很快就会成为现实

“很明显,我们需要让掌握信息的人能够做出重要的、有时甚至是救命的决定,”吕克斯说

“我们在新冠肺炎的家庭测试中看到了这一点

人们需要在家测试,因为他们需要快速和定期的信息

水也是如此

在许多情况下,水质需要定期测量

这不是一次性的事情,因为污染水平会随着时间而变化

" 这项名为“用DNA链置换电路编程无细胞生物传感器”的研究发表在《自然化学生物学》上

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