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由DNA控制的生物计算机提供了一种检测饮用水中污染物浓度的廉价且简单的方法。实验表明,计算机科学的逻辑运算可以被设计到DNA中,使生物计算机在检测污染物方面更加强大。

美国西北大学的Julius Lucks和同事在2020年发明了一种生物传感器,可以检测一滴水中的污染物。该生物传感器中包含的蛋白质可以通过产生荧光分子对某些化学物质的存在作出反应。这种易被发现的反应表明水样已被化学物质污染。

“受到细菌内部自然进化机制的启发,科学家最初试图通过改造细菌进行测试,但要让它们存活并阻止其扩散到环境中是一个挑战。”Lucks说,在合成生物学中,科学家试图重新利用那些检测毒素的分子机器,并对其进行重新设计,以便它们按照研究人员希望的方式工作。

现在,该团队开发出了一种更先进的系统——ROSALIND 2.0,不仅可以对危险化学品的存在发出警告,还可以报告其含量,以便采取相应措施。相关研究成果2月17日发表于《自然—化学生物学》。

该系统有8个小试管,每个试管都包含一个对污染物具有不同灵敏度的生物传感器。如果只有一个试管发光,那么水样就只是微量污染。发光的试管越多,证明水污染越严重。

“该测试通过使用‘诱饵’DNA链来工作。”Lucks说,它们被设计成与污染物反应中的关键中间产物结合,以防止最终荧光产物的产生。

每个试管中含有的DNA数量逐渐增多。因为反应最后发射荧光步骤只发生在诱饵DNA被用完之后,这意味着含有少量诱饵DNA的试管可能会在污染物存在的情况下发出荧光,但含有大量DNA的试管可能不会。因此可以简单地通过观察8根试管中荧光反应停止的位置测量污染物水平。

Lucks团队证明ROSALIND 2.0可以成功检测锌、一种抗生素和一种工业代谢物。

该方法便于储存和运输,有需要时只需将水样放入每个试管即可。

考虑到现有的水质评估技术可能非常昂贵,Lucks希望ROSALIND 2.0能对此有所帮助。他说:“我们正试图制造出你能想象到的最简单、最强大的产品,希望它万无一失。”

Lucks团队还证明,经过改造的DNA可以用来进行逻辑运算。它不仅可以像ROSALIND 2.0那样,在一种物质存在时发生反应,而且科学家相信,当两种特定的化学物质被发现时,或者两种化学物质都没有被发现时,也可以使它发生反应。这为将更复杂的分析构建到易于使用的测试中铺平了道路。(李木子)

来源: 中国科学报

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