滴水認污——無細胞生物傳感器ROSALIND或?qū)㈩嵏菜|(zhì)監(jiān)測市場
不過最近，美國西北大學的科研團隊的一項新技術(shù)也許能顛覆水質(zhì)監(jiān)測市場的格局。他們在今年7月的《自然-生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）期刊上發(fā)表了一篇文章，題為《Cell-free biosensors for rapid detection of water contaminants》，介紹了他們研發(fā)的一款3D打印的手持式設備，只需要幾滴水樣，即可在幾分鐘時間內(nèi)檢出水中的十幾種污染物，成本不過幾美分。這是什么黑科技？我們一起來看個究竟。
圖. 西北大學研發(fā)的水質(zhì)監(jiān)測新設備 | 圖源：YouTube截圖
傻瓜式操作這篇文章的通訊作者Julius Lucks教授將這項技術(shù)類比驗孕棒，操作十分簡單：向每個管內(nèi)加入水樣后，適當?shù)乜焖俣稁紫?，蓋上瓶蓋，放回管槽，打開亮燈，就能知道結(jié)果。如下圖所示，有兩個管內(nèi)裝有樣品，其中一個發(fā)光，說明樣品中含有污染物，如果發(fā)光程度高，則說明超出了環(huán)保署EPA的標準要求。
圖. 陽性陰性一清二楚 |圖源：YouTube截圖
有了這個檢測盒，大家都能成為檢測員，而且?guī)追昼娭畠?nèi)就能知道結(jié)果，例如可以讓使用者判斷某水源可否飲用。他們稱上面這個可以單手掌控的小盒子可以檢測17種不同的污染物，包括鉛和銅等有毒金屬、醫(yī)藥品(抗生素)、化妝品和清潔洗滌劑等。當合成生物學遇上水質(zhì)監(jiān)測
一瓶無色的水樣不等于它就是干凈的。但你叫人去嘗味也是不可能的——因為一旦嘗到有毒有害物質(zhì)，我們的身體是會有反應的，俗稱中毒。對于中毒者我們當然深表遺憾，但有科學家會提問：我們的細胞是怎么判斷“待測物”是否有毒的呢？
研究團隊就從細菌細胞的運作機制中得到靈感，將細胞中的重要組成，包括DNA、RNA和蛋白等物質(zhì)進行重新組合，成為一個無細胞的體外轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)。如果沒搞懂他們在干啥？我們來打個比喻：想象一下你把一輛飛機的發(fā)動機拆了下來，然后把它用來干別的事情。這可不是瞎編，例如百度一下就能查到中兵集團用噴氣發(fā)動機改裝成機場的超級吹雪機的案例。同樣地，科學家對這些細胞內(nèi)的部分模塊進行組裝之后，就能成為一個小巧的生物傳感器。
“大自然用30億年的時間進化出毒性檢測的方法，”文章共同一作的Khalid Alam介紹說，“我們發(fā)現(xiàn)細菌會有專門的分子來逐一‘嘗出’水中的物質(zhì)?！?他們要做的就是用無細胞合成生物學技術(shù)，將這些特定分子以冷凍干燥(lyoprotection)的形式組裝到小管內(nèi)，當遇到目標污染物的時候，就會發(fā)生化學反應，產(chǎn)生發(fā)光物質(zhì)，這就能讓使用者快速知道水中是否含有特定污染物。
再專業(yè)點說，他們使用的分子是高效RNA聚合酶(RNAPs)、變構(gòu)蛋白轉(zhuǎn)錄因子和合成DNA轉(zhuǎn)錄模板的組合。目標污染物的存在誘導RNA適配體的轉(zhuǎn)錄，并產(chǎn)生熒光信號。他們加入RNA反饋線路(feedback circuit)可以無需蛋白質(zhì)工程(protein engineering)的情況下反轉(zhuǎn)響應，減少不同信號通路之間的交聯(lián)(crosstalk)，從而提高靈敏度。
Lucks教授的團隊將這套系統(tǒng)取名為ROSALIND，全稱為RNA Output Sensors Activated by Ligand Induction，中文直譯即為配體誘導激活的RNA輸出傳感器。為何如此起名？除了清晰描述運作機理外，還為了能夠拼出ROSALIND這個簡稱，以便向著名科學家Rosalind Franklin致敬。Rosalind Franklin是誰？對我們水圈的人可能有點陌生，但學生物的人應該都知道，她是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)這一重大發(fā)現(xiàn)的重要貢獻者之一。當年是她用X射線測晶法得到DNA的第一張晶體衍射圖的，這被后人認為是解鎖DNA結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵線索。今年的7月25日正好是她誕辰100周年紀念日，所以團隊用這種方式致以紀念。
圖. RNA聚合酶、變構(gòu)蛋白轉(zhuǎn)錄因子和合成DNA轉(zhuǎn)錄模板的組合 |圖源：Nature Biotechnology
圖. ROSALIND檢測系統(tǒng)原理|圖源：Nature Biotechnology
加州“天堂”的實測光在實驗室得到數(shù)據(jù)是很難讓人信服的，所以研究團隊要去實地測試他們的設備。他們選擇了美國加州的天堂鎮(zhèn)作為測試地點。有留意新聞的朋友可能記得在2018年年底，加州北部的天堂鎮(zhèn)（Paradise）發(fā)生了歷史上極其恐怖的一次火災，大火過境之處，居民家園皆被夷為平地，摧毀建筑近1.9萬幢，該鎮(zhèn)許多居民因此流離失所。
除了財產(chǎn)受損，這些被毀壞的建筑、燒熔的汽車也將一些有毒金屬釋放到環(huán)境中，例如當?shù)氐乃?。他們想驗證ROSALIND的檢測效果，因此他們還同時進行了常規(guī)的水樣采集和監(jiān)測，以便進行比對。在這次實測中，他們使用了三種傳感器，包括鋅傳感器(SmtB)、銅傳感器(CsoR)和阻斷Cu-Zn信號交聯(lián)的Cu-NIMPLY-Zn傳感器。
如下圖所示，傳感器在伊利諾伊州制備好之后，在常溫環(huán)境下連夜運至加州的Chico。為了方便通過肉眼對取樣水進行對比，他們用實驗室級別的純水進行對照反應。
圖. 研究團隊在加州的四個采樣點 |圖源：Nature Biotechnology
結(jié)果顯示：采樣團隊到達加州后，在四個不同地點的水樣進行采集和過濾后，滴入傳感器的樣品管內(nèi)，并在37°的溫度下孵化4小時。下圖是測試結(jié)果。他們對樣品放入ROSALIND熒光器兩小時和過夜一晚之后的情況進行拍照對比。然后樣品運回伊利諾伊州的實驗室用熒光讀板器進行量化測量。由于轉(zhuǎn)錄反應徹底完成，所以熒光信號可以保持穩(wěn)定，運輸過程不會引起變化。實驗室的火焰原子吸收光譜法分析結(jié)果顯示，四個采樣點中，有兩個只含有鋅，其他兩個包含鋅和銅。這和ROSALIND傳感器的顯示結(jié)果一致。
為了進一步考察ROSALIND對復雜基質(zhì)的靈敏度，他們之后還對添加了銅的密歇根湖水樣和智利地表水(銅含量高)進行測試。測試結(jié)果，盡管有些熒光信號受到了抑制，但能夠指示環(huán)境水樣的污染物。在這次實測中，我們也看到冷凍干燥技術(shù)可以防止ROSALIND在運輸過程中失效，提高了存儲的便利性。
圖. 測試結(jié)果 |圖源：Nature Biotechnology
除了重金屬(例如鉛和銅)，防曬霜和乳液等個人護理品、抗生素藥品和農(nóng)業(yè)除草劑等化學物質(zhì)也會進入水環(huán)境，甚至滲入水管道、家里的水龍頭和學校的飲水機等地方。研究團隊認為他們的快速檢測平臺能為這些場景的水質(zhì)監(jiān)測提供快速準確的替代方案。RNA檢測爆發(fā)元年
這個水質(zhì)生物傳感器只是Lucks教授團隊近年的科研成果之一。Lucks教授的團隊近年一直進行RNA折疊形狀的相關(guān)研究，他們發(fā)現(xiàn)一系列RNA分子的折疊有相似性，背后可能有其對應的功能，他將這些RNA分子稱作核糖開關(guān)。
Lucks去年10月接受采訪時候還說 “隨著我們對RNA分子工作原理的加深，我們能更好地發(fā)揮它們的作用。我們希望它們能夠更快、更靈敏地為人類服務。我們?nèi)栽趯W習中，但我們離產(chǎn)品已經(jīng)很接近了。”沒想到，不到一年的時間，他們就已經(jīng)實實在在做出了檢測水污染物的生物傳感器原型。
這么看來，2020年可能會是RNA技術(shù)的爆發(fā)元年。除了這種基于RNA轉(zhuǎn)錄的傳感器，全球各大藥企爭相研發(fā)的新冠疫苗也是mRNA疫苗。雖然眾多水處理技術(shù)是基于生物技術(shù)發(fā)展而來，但做生物研究的人其實對水行業(yè)知之甚少。然而，隨著基因測序技術(shù)成本的降低和基因編輯技術(shù)的普及，水行業(yè)和生物行業(yè)的那堵無形的墻似乎已經(jīng)慢慢消融。
有個大膽的猜想：在2030年之后，那些有錢的生物技術(shù)公司會不會開始收購污水廠作為它們的資產(chǎn)及數(shù)據(jù)庫？有心的讀者可以保留此文——如果10年后還有微信這玩意，我們一起回來打開這個時間膠囊，看看這個猜想有否成真。
圖. ROSALIND熒光器的解構(gòu) |圖源：Nature Biotechnology
參考資料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