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幾分鐘嘗出17種水污染物，這種檢測平臺的“味蕾”來自細菌
導(dǎo) 讀
檢測水質(zhì)也能像妊娠檢測一樣快速、便捷、準確？
日前，一項由美國西北大學(xué)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的新技術(shù)成果發(fā)表在《自然·生物技術(shù)》上，這項技術(shù)通過一個手持式平臺，只需幾分鐘，就可以檢測水質(zhì)中包括有毒金屬、藥品、化妝品和清潔洗滌品等在內(nèi)的17種不同污染物。當檢測到污染物超過美國環(huán)保署(EPA)公布的標準時，它就會發(fā)出綠光。
天津大學(xué)化工學(xué)院教授齊浩介紹，這項看似便捷、簡單的新技術(shù)，背后離不開人類改造自然能力的巨大提升。這項新技術(shù)依托無細胞合成生物學(xué)技術(shù)，通過工程化設(shè)計，操控超過百種生物分子，讓它們協(xié)同工作，最終實現(xiàn)污水監(jiān)測的目的。
破碎細胞膜，設(shè)計細胞更方便
“這個檢測污染物的‘試紙’很有意思，看似和‘驗孕棒’的使用方法一樣，其實它完全超越了傳統(tǒng)試紙的生化體系，制備方法比傳統(tǒng)試紙復(fù)雜得多。”齊浩解釋說，研究團隊使用了來自細菌細胞的分子機器，他們將細菌用于品嘗水中小分子的“味蕾”從細胞中取出，然后將它們設(shè)計重組。這些經(jīng)過重新編程的“味蕾”在冷凍干燥后，變得耐儲藏，可以做成“試紙”方便使用。
“這項技術(shù)主要是利用了無細胞合成生物學(xué)。合成生物學(xué)技術(shù)主要還是以細胞為底盤進行工程化設(shè)計。但是對細胞進行工程化設(shè)計是費時和困難的。”齊浩介紹，由于活細胞生命系統(tǒng)的復(fù)雜性、基因元件難以標準化、細胞膜的阻礙等，細胞的生長及適應(yīng)性過程通常與工程設(shè)計目標不一致，生產(chǎn)出大量無效產(chǎn)物，大大限制了對生物組件的改造。
“我們要想用人工的設(shè)計，實現(xiàn)更多的人工目的，就要打破細胞的束縛。無細胞合成生物學(xué)就是利用細胞資源，破碎細胞膜，從細胞中取出包括DNA、RNA和蛋白質(zhì)在內(nèi)的分子元件，然后重新編程，以執(zhí)行新的任務(wù)。也就是在體外開放體系中，實現(xiàn)基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯和代謝過程。”齊浩解釋，細胞就像一臺電腦，電腦中的主板、聲卡、顯卡等元件各有各的用處。我們在了解了每個元件的用途后，把電腦拆開，把各個原件分解出來，可以按照我們自己的目的運用各個元件的功能，加工改造生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品。
“無細胞合成生物學(xué)是更加微觀的技術(shù)，進入了細胞的內(nèi)部，在分子層面進行工程改造，來達成我們設(shè)定的目的。”齊浩介紹，這個改造工程是個龐大的體系，像這個污染物監(jiān)測技術(shù)，就是通過高靈敏性RNA聚合酶、變構(gòu)蛋白轉(zhuǎn)錄因子和合成的DNA轉(zhuǎn)錄模板相結(jié)合，可調(diào)節(jié)熒光激活RNA適配體的合成，使污染物的存在誘導(dǎo)這種適配體的轉(zhuǎn)錄，從而導(dǎo)致熒光信號產(chǎn)生。
發(fā)展迅猛，研究領(lǐng)域非常廣泛
“當人們能把細胞里各種分子機器運用自如時，就已經(jīng)比只能利用整個細胞的技術(shù)前進了一大步。”齊浩介紹，其實早在20世紀50年代，科研人員就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)細胞合成蛋白的核心機制，并且發(fā)現(xiàn)把細胞膜破碎掉以后，得到的細胞質(zhì)也具有蛋白合成的能力。從此以后，研究人員開始展開蛋白合成的研究，確立了制備方式、實驗的基本步驟。
但無細胞基因表達的轉(zhuǎn)化潛力卻受到多種限制，包括蛋白質(zhì)合成產(chǎn)量低且可變，反應(yīng)持續(xù)時間短和反應(yīng)規(guī)模小。然而，在過去的20年中，合成生物學(xué)研究人員逐漸擺脫了無細胞基因表達潛力的束縛，實驗室中的研究有了新突破，帶來了更高效率和更大應(yīng)用范圍。除了使用微生物，也開始用植物、哺乳動物的細胞做培養(yǎng)細胞，還開發(fā)了很多真核細胞的系統(tǒng)。與此同時，蛋白質(zhì)合成量隨著制備工藝的發(fā)展，也越來越大。
“無細胞合成生物的研究領(lǐng)域非常廣，無細胞的蛋白表達系統(tǒng)是其主要的研究方向之一?！饼R浩介紹，此次污染物監(jiān)測就利用了這個系統(tǒng)，從大腸桿菌中取出小分子水平的“味蕾”部分，設(shè)計成針對某種蛋白的表達系統(tǒng)。同時顯現(xiàn)出的綠色熒光，也是通過表達一種熒光蛋白實現(xiàn)的。
“還可以用上千條不同序列的DNA組成各種不同的納米結(jié)構(gòu)，這也屬于無細胞合成生物技術(shù)領(lǐng)域；在代謝工程中，通過無細胞合成生物技術(shù)，可以把各種代謝酶純化出來，放在一個系統(tǒng)里，通過不同的生化反應(yīng)環(huán)境，讓這些蛋白協(xié)同合作，完成一個復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)的代謝過程?！饼R浩介紹。
“此外，無細胞合成生物技術(shù)還有一個重要的研究領(lǐng)域，就是超越自然界，創(chuàng)造自然界沒有的東西?！饼R浩解釋說，我們知道，蛋白質(zhì)是由20種天然的氨基酸合成的，而無細胞合成生物技術(shù)可以人工合成新的氨基酸。比如基因折紙的技術(shù)，通過人工設(shè)計DNA上的分子序列，把DNA折成字母、二維、三維等任意結(jié)構(gòu)。這種折紙技術(shù)在細胞內(nèi)無法實現(xiàn)，而應(yīng)用了無細胞合成生物技術(shù)，就能造出自然界從來沒有的物質(zhì)。
前景廣闊，但離真正應(yīng)用還有距離
“雖然無細胞合成生物技術(shù)近些年的發(fā)展突飛猛進，而且應(yīng)用前景廣闊，但是在此次美國西北大學(xué)發(fā)布的這個污染物監(jiān)測的項目之前，它更多是作為科研的手段和工具?！饼R浩介紹，實驗室、制藥公司會用無細胞合成生物技術(shù)合成蛋白表達工具，快速簡便。因為在此技術(shù)之前，要得到一種蛋白，需要分離純化，需要花費很長時間。而應(yīng)用這項技術(shù)，可以在很短的周期內(nèi)，得到科研人員想要研究的蛋白，因此常常被作為生物藥物篩選研發(fā)技術(shù)。
“利用類似技術(shù)，實現(xiàn)了高靈敏度的病毒檢測，比核酸檢測更靈敏，區(qū)分精準度更高，曾經(jīng)被制成檢測寨卡病毒的檢測試劑。其實蛋白藥、疫苗、檢測抗體都是基于蛋白的藥物，都可以應(yīng)用無細胞合成生物的蛋白表達系統(tǒng)生成。”齊浩表示，這些目前算是比較前沿的技術(shù)，但還都在轉(zhuǎn)化的過程中。
“除此之外，無細胞合成技術(shù)在工程設(shè)計方面更容易實現(xiàn)，通過把生命物質(zhì)剝離純化，可以生成生化試劑。沒有細胞的束縛，這些試劑與現(xiàn)有自動化設(shè)備更容易匹配，因此也更容易在實驗室中形成規(guī)?；a(chǎn)。”齊浩舉例說，比如通過合成生物技術(shù)合成蛋白需要兩三天時間，用無細胞技術(shù)，可能一兩個小時就能完成，可更好地控制蛋白的產(chǎn)量，實現(xiàn)標準化。
“利用無細胞合成生物技術(shù)合成氨基酸，還可以更好地拓展蛋白的功能。比如有些酶，我們把人工合成氨基酸放到酶的核心處之后，酶的活性會提高上百倍上千倍?！饼R浩接著說，利用DNA折紙技術(shù)，可以制作類似生物分子機器人，這些納米級的機器人可以對另外一些分子進行可控的操作。比如把DNA折成一個盒子，把抗癌的藥物放到盒子中，當盒子遇到癌細胞，就會釋放抗癌藥物。這些都拓展了人類對自然的干預(yù)范圍。
“人類要想更好地運用控制這項技術(shù)，就要更深入了解細胞中每個分子的特性。雖然無細胞合成生物技術(shù)在實驗室中被廣泛研究，但離真正應(yīng)用于百姓生活中還有一段路要走。”齊浩預(yù)測，未來無細胞合成生物技術(shù)可能會最先應(yīng)用到醫(yī)藥研發(fā)領(lǐng)域，檢測類產(chǎn)品可能會更快地進行技術(shù)轉(zhuǎn)化。