新方法幾分鐘便可測水質：合成製造分子味蕾，像驗孕一樣易讀

靠譜的水質檢測需要多久？7月6日發表在《自然-生物技術》（Nature Biotechnology）上的一項新技術能做到只需幾分鐘即可評估水的安全和質量。該技術由美國西北大學的研究人員領導開發，可以檢測17種不同的汙染物，包括鉛和銅等有毒金屬、藥品、化妝品和清潔洗滌品。

研究團隊將該技術和妊娠測試類比，這個手持式平臺可以提供一個易讀的陽性或陰性結果，當檢測到汙染物超過美國環保署（EPA）標準時，它就會發出綠光。這一靈活的平臺由無細胞合成生物學技術支撐，研究人員可以不斷更新它來檢測更多的汙染物。

西北大學麥考密克工程與應用科學學院的化學和生物工程教授Julius Lucks為該論文的通訊作者，他也是合成生物學中心的成員。Lucks實驗室的成員Jaeyoung Jung和Khalid Alam是這篇論文的共同第一作者。論文題為“Cell-free biosensors for rapid detection of water contaminants”。

Lucks表示，“目前的水測試依賴於一箇中央實驗室，配備非常昂貴的裝置，同時要求專業化的操作。”他同時提到，“寄送樣品的成本可能高達150美元，而且需要幾周時間才能得到結果。我們提供的技術可以讓任何人直接檢測自己的水，並在幾分鐘內知道是否受到汙染。它使用起來非常簡單，我們可以把它送到最需要它的人手中。”

確保水質的一個主要挑戰是人們通常看不到或嘗不到汙染物，這項新的技術西則填補了人類感官不足的空白，製造了分子“味蕾”。在無細胞合成生物學中，研究人員通常將包括DNA、RNA和蛋白質在內的分子機器從細胞中取出，然後對其重組以執行新的任務。

在這一原理下，Lucks團隊使用了來自細菌細胞的分子機器。Alam 說，“大自然已經解決了這個問題，生物學已經花了30億年的時間來研究一種檢測汙染物的優雅方法。”

“我們發現了細菌在水中是如何自然品嚐的。”Lucks補充道，“它們透過小分子水平的‘味蕾’來實現，無細胞合成生物學使我們能夠將這些小分子味蕾取出並放入試管中，然後把它們重新連線起來，產生視覺訊號。它會發光，讓使用者快速而容易地看到水中是否有汙染物。”

這些重組的“味蕾”被冷凍乾燥，使用者將其放入試管中，加入一滴水，然後輕輕攪動它，就會引發化學反應，使凍乾的小球在有汙染物存在的情況下發光。

Lucks團隊將該測試平臺命名為“配體誘導啟用的RNA輸出感測器（RNA Output Sensors Activated by Ligand Induction）”，同時簡稱其為“ROSALIND”，以紀念著名的化學家Rosalind Franklin。雖然“DNA之父”沃森和克里克發現了DNA雙螺旋結構，但科學界同樣認為Franklin功不可沒，她獲得的DNAX射線晶體衍射圖被認為是解出DNA結構的關鍵線索。7月25日是Franklin的100歲生日。

Lucks說，“她的工作最終使我們學會了如何用我們的技術重新組裝DNA。”

ROSALIND系統

值得注意的是，研究團隊還在“實戰”中檢測了他們的新平臺。2018年年底，美國加利福尼亞州北部天堂鎮（Paradise）發生了歷史上最具破壞性的一次火災，大火摧毀了近1。9萬幢建築，並導致該鎮大部分居民流離失所。

2019年底，Lucks、Jung、Alam和他們在西北大學的同事Jean-Francois Gaillard（水生系統生物地球化學過程方面的專家）實地到訪天堂鎮。“野火基本上熔化了整個城鎮燒燬建築物、熔化汽車，把有毒金屬排放到環境中。”Lucks說。

Lucks團隊在用金標準測試的同時檢驗了他們開發的ROSALIND，發現ROSALIND能夠識別水中升高的有毒金屬的存在，同時提供了更快、更便宜的結果。

研究團隊認為，除了災害，環境中自然存在的重金屬，比如銅和鉛，也會滲入管道、汙染家庭的水龍頭和學校的飲水機。另外防曬霜和乳液等個人護理產品、未使用扔棄的藥品和農業除草劑也會流入水中。而他們的快速檢測平臺都可以迅速準確地檢測出結果。

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