新的DNA计算机评估水质：遗传网络模拟电子电路
装有水样的试管在照明器内发出绿色光，表明存在污染。学分：西北大学
遗传网络模仿电子电路来执行一系列逻辑功能。
该设备配备了一系列八个小试管，在检测到污染物时会发出绿色光。发光管的数量取决于存在多少污染。如果只有一根管子发光，那么水样就有微量污染。但如果所有八根管子都发光，那么水就被严重污染了。换句话说，更高浓度的污染物会导致更高的信号。
“我们对每个管子进行了编程，使其具有不同的污染阈值，”领导这项研究的麦考密克工程学院的 Julius B. Lucks 说。“阈值最低的管子会一直亮着。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。”
Lucks 是西北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。该论文的合著者包括来自西北大学的 Jaeyoung Jung、Chloé Archuleta 和 Khalid Alam。
测试来自加利福尼亚受野火影响的地区的水。图片来源：西北大学
认识罗莎琳
新系统建立在 Lucks 和他的团队于 2020 年 7 月在Nature Biotechnology上发表的工作基础之上。在那项工作中，该团队引入了 ROSALIND（以著名化学家 Rosalind Franklin 命名，是“由配体诱导激活的RNA输出传感器”的缩写），它可以在一滴水中感知 17 种不同的污染物。当测试检测到污染物超过美国环境保护署的标准时，它会发出绿光或不发出简单、易于阅读的阳性或阴性结果。
为了开发 ROSALIND，Lucks 和他的团队采用了无细胞合成生物学。通过合成生物学，研究人员将分子机器（包括 DNA、RNA 和蛋白质）从细胞中取出，然后重新编程该机器以执行新任务。当时，卢克斯将 ROSALIND 的内部运作比作“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。“他们这样做几乎没有分子水平的‘味蕾’。无细胞合成生物学使我们能够将那些小分子味蕾取出并放入试管中。然后我们可以“重新连接”它们以产生视觉信号。它会发光，让用户快速轻松地查看水中是否有污染物。”
分子大脑
现在，在被称为 ROSALIND 2.0 的新版本中，卢克斯和他的团队添加了一个“分子大脑”。
“最初的平台是一个生物传感器，它就像一个味蕾，”卢克斯说。“现在我们添加了一个像大脑一样工作的基因网络。生物传感器检测到污染，然后生物传感器的输出输入基因网络或电路，它就像大脑一样执行逻辑。”
在许多情况下需要定期测量水质。这不是一次性的，因为污染水平会随着时间而改变。— Julius Lucks，化学和生物工程教授
研究人员将重新编程的“分子大脑”冷冻干燥，使其具有货架稳定性，并将它们放入试管中。在每个试管中加入一滴水会引发反应和相互作用网络，最终导致冻干颗粒在存在污染物的情况下发光。
为了测试新系统，Lucks 和他的团队证明它可以成功检测锌、抗生素和工业代谢物的浓度水平。Lucks 说，给出污染程度——而不是简单的正面或负面结果——对于告知缓解策略很重要。
“在我们推出 ROSALIND 之后，人们说他们想要一个也可以提供浓度的平台，”他说。“不同水平的不同污染物需要不同的策略。例如，如果您的水中的铅含量较低，那么您可以通过在使用水管之前冲洗水管来忍受它。但如果你的水含量很高，那么你需要立即停止喝水并更换水管。”
最终，Lucks 和他的团队希望使个人能够定期测试自己的水。有了像 ROSALIND 这样廉价的手持设备，这可能很快就会成为现实。
“很明显，我们需要让有信息的人能够做出重要的、有时甚至是挽救生命的决定，”勒克斯说。“我们在COVID-19的家庭测试中看到了这一点。人们需要在家进行测试，因为他们需要快速且定期的信息。这与水相似。在许多情况下需要定期测量水质。这不是一次性的事情，因为污染水平会随着时间而改变。”
参考文献：
Jaeyoung K. Jung、Chloé M. Archuleta、Khalid K. Alam 和 Julius B. Lucks 的“Programming Cell-free Biosensors with DNA Strand Displacement Circuits”，2022 年 2 月 17 日，Nature Chemical Biology。
DOI: 10.1038/s41589-021-00962-9
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该研究得到了美国国防部、国家科学基金会、犹太和以色列研究皇冠家庭中心以及芝加哥社区信托基金的塞尔基金的支持。