由DNA控制的生物計算機提供了一種檢測飲用水中污染物濃度的廉價且簡單的方法。實驗表明，計算機科學的邏輯運算可以被設(shè)計到DNA中，使生物計算機在檢測污染物方面更加強大。

美國西北大學的Julius Lucks和同事在2020年發(fā)明了一種生物傳感器，可以檢測一滴水中的污染物。該生物傳感器中包含的蛋白質(zhì)可以通過產(chǎn)生熒光分子對某些化學物質(zhì)的存在作出反應(yīng)。這種易被發(fā)現(xiàn)的反應(yīng)表明水樣已被化學物質(zhì)污染。

“受到細菌內(nèi)部自然進化機制的啟發(fā)，科學家最初試圖通過改造細菌進行測試，但要讓它們存活并阻止其擴散到環(huán)境中是一個挑戰(zhàn)。”Lucks說，在合成生物學中，科學家試圖重新利用那些檢測毒素的分子機器，并對其進行重新設(shè)計，以便它們按照研究人員希望的方式工作。

現(xiàn)在，該團隊開發(fā)出了一種更先進的系統(tǒng)——ROSALIND 2.0，不僅可以對危險化學品的存在發(fā)出警告，還可以報告其含量，以便采取相應(yīng)措施。相關(guān)研究成果2月17日發(fā)表于《自然—化學生物學》。

該系統(tǒng)有8個小試管，每個試管都包含一個對污染物具有不同靈敏度的生物傳感器。如果只有一個試管發(fā)光，那么水樣就只是微量污染。發(fā)光的試管越多，證明水污染越嚴重。

“該測試通過使用‘誘餌’DNA鏈來工作。”Lucks說，它們被設(shè)計成與污染物反應(yīng)中的關(guān)鍵中間產(chǎn)物結(jié)合，以防止最終熒光產(chǎn)物的產(chǎn)生。

每個試管中含有的DNA數(shù)量逐漸增多。因為反應(yīng)最后發(fā)射熒光步驟只發(fā)生在誘餌DNA被用完之后，這意味著含有少量誘餌DNA的試管可能會在污染物存在的情況下發(fā)出熒光，但含有大量DNA的試管可能不會。因此可以簡單地通過觀察8根試管中熒光反應(yīng)停止的位置測量污染物水平。

Lucks團隊證明ROSALIND 2.0可以成功檢測鋅、一種抗生素和一種工業(yè)代謝物。

該方法便于儲存和運輸，有需要時只需將水樣放入每個試管即可。

考慮到現(xiàn)有的水質(zhì)評估技術(shù)可能非常昂貴，Lucks希望ROSALIND 2.0能對此有所幫助。他說：“我們正試圖制造出你能想象到的最簡單、最強大的產(chǎn)品，希望它萬無一失。”

Lucks團隊還證明，經(jīng)過改造的DNA可以用來進行邏輯運算。它不僅可以像ROSALIND 2.0那樣，在一種物質(zhì)存在時發(fā)生反應(yīng)，而且科學家相信，當兩種特定的化學物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)時，或者兩種化學物質(zhì)都沒有被發(fā)現(xiàn)時，也可以使它發(fā)生反應(yīng)。這為將更復雜的分析構(gòu)建到易于使用的測試中鋪平了道路。(李木子)