Новая платформа позволяет оценить безопасность и качество воды всего за одну каплю и за несколько минут.
Похожая на тест на беременность, портативная платформа использует один образец, чтобы обеспечить легко читаемый положительный или отрицательный результат. Когда тест обнаруживает загрязнение, превышающее стандарты EPA, он светится зеленым цветом.
Под руководством исследователей из Северо-Западного университета тесты могут определять 17 различных загрязняющих веществ, включая токсичные металлы, такие как свинец и медь, фармацевтические препараты, косметику и чистящие средства. Платформа, основанная на бесклеточной синтетической биологии, настолько гибкая, что исследователи могут постоянно обновлять ее, чтобы обнаруживать больше загрязняющих веществ.
«Текущие тесты воды зависят от централизованной лаборатории, которая содержит очень дорогое оборудование и требует опыта для работы», - сказал Джулиус Лакс из Northwestern, который руководил исследованием. «Отправка образца может стоить до 150 долларов США, а получение результатов может занять несколько недель. Мы предлагаем технологию, которая позволяет любому человеку напрямую проверить свою воду и узнать, есть ли у нее загрязнение, в течение нескольких минут. Она настолько проста в использовании, что мы можем передать его в руки людей, которые больше всего в нем нуждаются."
Исследование будет опубликовано 6 июля в журнале Nature Biotechnology. Лакс - профессор химической и биологической инженерии в Инженерной школе Маккормика на Северо-Западе и член Центра синтетической биологии. Джэён Юнг и Халид Алам, сотрудники лаборатории Lucks, являются соавторами статьи.
Молекулярные вкусовые рецепторы
Основной проблемой обеспечения качества воды является то, что люди, как правило, не могут увидеть или попробовать на вкус загрязняющие вещества. Платформа Northwestern использует синтетическую биологию для обнаружения этого незаметного загрязнения, заполняя пробелы, в которых человеческие чувства не работают.
В бесклеточной синтетической биологии исследователи извлекают молекулярные механизмы, включая ДНК, РНК и белки, из клеток, а затем перепрограммируют эти механизмы для выполнения новых задач. Идея сродни открытию капота автомобиля и снятию двигателя, что позволяет исследователям использовать двигатель для различных целей, свободных от ограничений автомобиля. В этом случае команда Лакса использовала молекулярные механизмы бактериальных клеток.
"Природа уже решила эту проблему", - сказал Алам. «Биология потратила более трех миллиардов лет на разработку элегантного решения для обнаружения загрязняющих веществ».
«Мы выяснили, как бактерии естественным образом пробуют воду», - добавил Лакс.«Они делают это с помощью небольших «вкусовых рецепторов» молекулярного уровня. Бесклеточная синтетическая биология позволяет нам извлечь эти маленькие молекулярные вкусовые рецепторы и поместить их в пробирку. визуальный сигнал. Он светится, чтобы пользователь мог быстро и легко увидеть, есть ли загрязнитель в его воде."
Эти перепрограммированные «вкусовые рецепторы» высушивают вымораживанием, чтобы они стали стабильными при хранении, и помещают в пробирки. Если добавить в пробирку каплю воды, а затем встряхнуть ее, начнется химическая реакция, в результате которой лиофилизированная таблетка начнет светиться в присутствии загрязнителя.
"Магия в трубах", сказал Лакс. «Мы все сочиняем и сушим вымораживанием - такой же процесс, как и изготовление мороженого для космонавтов».
Вдохновлено женщинами в науке
Лакс и его команда называют эту тестовую платформу «датчиками выхода РНК, активируемыми индукцией лиганда». Но его команда для краткости назвала ее РОЗАЛИНД в честь знаменитого химика Розалинды Франклин, которая открыла двойную спираль ДНК вместе с Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком. В следующем месяце (25 июля) Франклину исполнилось бы 100 лет.
«Ее работа, по сути, в конечном итоге позволила нам научиться перепрограммировать ДНК, чтобы она работала в нашей технологии», - сказал Лакс.
Приступая к этому проекту, Лакс черпал вдохновение у другой женщины-ученого из своей жизни: его жены, антрополога с Северо-Запада Серы Янг, которая изучает глобальную продовольственную и водную безопасность и роль нехватки воды в домашнем хозяйстве в благополучии общества.
«Sera исследует, как плохое качество воды влияет на повседневную жизнь людей», - сказал Лакс. «Люди, как правило, идут к наиболее удобным источникам для получения воды. Но если бы они знали, что вода загрязнена, они могли бы отправиться дальше, чтобы найти более безопасную воду. Мы хотим, чтобы у всех были инструменты, необходимые для принятия обоснованных решений."
РОЗАЛИНДА в раю
Чтобы протестировать новую платформу в полевых условиях, Лакс, Юнг, Алам и их коллега-профессор Северо-Запада Жан-Франсуа Гайар посетили Парадайз, штат Калифорния, в конце прошлого года. Годом ранее череда массивных лесных пожаров уничтожила город на севере Калифорнии, уничтожив почти 19 000 зданий и вытеснив большую часть его населения. Гайяр, профессор экологической инженерии, является экспертом в области биогеохимических процессов, влияющих на металлы в водной системе.
«Лесные пожары буквально расплавили город», - сказал Лакс. «Они сжигали здания и плавили автомобили, выбрасывая токсичные металлы в окружающую среду».
Удачи, Гайяр и их команды протестировали ROSALIND наряду с золотым стандартом тестов воды и обнаружили, что ROSALIND смогла определить присутствие повышенных токсичных металлов в водоснабжении. Это также обеспечило гораздо более быстрые и менее дорогие результаты.
Лакс и его команда предполагают, что РОЗАЛИНД может помочь в восстановительных работах, подобных той, что была в раю, где жители должны были провести десятки тысяч тестов, чтобы узнать, безопасно ли вернуться в их сообщество.
"Лабораторные испытания не масштабируются", сказал Алам. «Чтобы получить ответ на простой вопрос: «Можно ли пить воду из моей воды?», не должно потребоваться несколько дней».
Трудности тестирования в домашних условиях
Катастрофы, конечно, не единственные причины небезопасной воды. Тяжелые металлы, такие как медь и свинец, которые естественным образом присутствуют в окружающей среде, могут проникать в трубы, загрязняя домашние водопроводные краны и школьные питьевые фонтанчики. Средства личной гигиены, такие как солнцезащитные кремы и лосьоны, смываются с кожи людей и попадают в водные пути. Неиспользованные фармацевтические препараты и сельскохозяйственные гербициды также попадают в нашу воду и попадают в наши раковины.
Но, если мы не сможем напрямую - и регулярно - проверять наличие этих загрязняющих веществ, нет никакого способа сохранить душевное спокойствие.
При тестировании воды в собственном доме в Эванстоне, штат Иллинойс, Лакс и Янг отметили несколько трудностей. Потребление большого количества меди в течение многих месяцев или лет может привести к повреждению печени и даже к смерти. В связи с этим компания Lucks решила проверить уровень меди в водопроводной воде. Это стоило 150 долларов, и на получение результатов ушёл месяц.
"Это одноразовый тест", - сказал Лакс. «Это не позволяет проверять уровни из разных кранов в доме или временное тестирование с течением времени».
Проверка на лид оказалась не намного проще. Наборы для тестирования свинца доступны в большинстве хозяйственных магазинов. Но наполнив трубку водой, ее все равно нужно отправить по почте в централизованное учреждение. Он по-прежнему стоит до 150 долларов за тест, а получение результатов занимает недели. И если люди хотят проверить свою воду на наличие других загрязнителей, таких как антибиотики, тестов для потребителей просто не существует.
«Было много достижений в разработке средств диагностики для мониторинга патогенов», - сказал Юнг. «Но недостаточно усилий для обнаружения химических загрязнителей».
«Чтобы обеспечить доступ к безопасной и чистой питьевой воде, нам нужны технологии, которые позволят легко контролировать качество воды», - сказал Лакс.«С помощью простого, удобного в использовании портативного устройства, такого как ROSALIND, вы можете проверять воду у себя дома или в поле - там, где вы хотели бы использовать его больше всего».
Исследование «Бесклеточные биосенсоры для быстрого обнаружения загрязнителей воды» было поддержано Национальным научным фондом (номера наград 1452441 и 1929912), Национальным институтом здравоохранения (номер награды R35 GM118157), Короной Семейный центр еврейских и израильских исследований в Северо-Западном университете и Фонды Серла в Чикагском общественном фонде.
Примечание редактора: Северо-западная стартап-компания Stemloop выбрала технологию ROSALIND и планирует ее коммерциализацию. Lucks, Alam и Northwestern будут иметь финансовые интересы (роялти, акции), если это будет коммерциализировано.