细胞|几分钟“尝”出17种水污染物 这种检测平台的“味蕾”竟来自细菌
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视觉中国供图
检测水质也能像妊娠检测一样快速、便捷、准确？日前 ， 一项由美国西北大学的研究人员领导开发的新技术成果发表在《自然·生物技术》上 ， 这项技术通过一个手持式平台 ， 只需几分钟 ， 就可以检测水质中包括有毒金属、药品、化妆品和清洁洗涤品等在内的17种不同污染物 。当检测到污染物超过美国环保署（EPA）公布的标准时 ， 它就会发出绿光 。
天津大学化工学院教授齐浩介绍 ， 这项看似便捷、简单的新技术 ， 背后离不开人类改造自然能力的巨大提升 。这项新技术依托无细胞合成生物学技术 ， 通过工程化设计 ， 操控超过百种生物分子 ， 让它们协同工作 ， 最终实现污水监测的目的 。
破碎细胞膜 ， 设计细胞更方便
“这个检测污染物的‘试纸’很有意思 ， 看似和‘验孕棒’的使用方法一样 ， 其实它完全超越了传统试纸的生化体系 ， 制备方法比传统试纸复杂得多 。”齐浩解释说 ， 研究团队使用了来自细菌细胞的分子机器 ， 他们将细菌用于品尝水中小分子的“味蕾”从细胞中取出 ， 然后将它们设计重组 。这些经过重新编程的“味蕾”在冷冻干燥后 ， 变得耐储藏 ， 可以做成“试纸”方便使用 。
“这项技术主要是利用了无细胞合成生物学 。合成生物学技术主要还是以细胞为底盘进行工程化设计 。但是对细胞进行工程化设计是费时和困难的 。”齐浩介绍 ， 由于活细胞生命系统的复杂性、基因元件难以标准化、细胞膜的阻碍等 ， 细胞的生长及适应性过程通常与工程设计目标不一致 ， 生产出大量无效产物 ， 大大限制了对生物组件的改造 。
“我们要想用人工的设计 ， 实现更多的人工目的 ， 就要打破细胞的束缚 。无细胞合成生物学就是利用细胞资源 ， 破碎细胞膜 ， 从细胞中取出包括DNA、RNA和蛋白质在内的分子元件 ， 然后重新编程 ， 以执行新的任务 。也就是在体外开放体系中 ， 实现基因转录、蛋白质翻译和代谢过程 。”齐浩解释 ， 细胞就像一台电脑 ， 电脑中的主板、声卡、显卡等元件各有各的用处 。我们在了解了每个元件的用途后 ， 把电脑拆开 ， 把各个原件分解出来 ， 可以按照我们自己的目的运用各个元件的功能 ， 加工改造生产出更多的产品 。
“无细胞合成生物学是更加微观的技术 ， 进入了细胞的内部 ， 在分子层面进行工程改造 ， 来达成我们设定的目的 。”齐浩介绍 ， 这个改造工程是个庞大的体系 ， 像这个污染物监测技术 ， 就是通过高灵敏性RNA聚合酶、变构蛋白转录因子和合成的DNA转录模板相结合 ， 可调节荧光激活RNA适配体的合成 ， 使污染物的存在诱导这种适配体的转录 ， 从而导致荧光信号产生 。
发展迅猛 ， 研究领域非常广泛
【细胞|几分钟“尝”出17种水污染物 这种检测平台的“味蕾”竟来自细菌】“当人们能把细胞里各种分子机器运用自如时 ， 就已经比只能利用整个细胞的技术前进了一大步 。”齐浩介绍 ， 其实早在20世纪50年代 ， 科研人员就已经发现细胞合成蛋白的核心机制 ， 并且发现把细胞膜破碎掉以后 ， 得到的细胞质也具有蛋白合成的能力 。从此以后 ， 研究人员开始展开蛋白合成的研究 ， 确立了制备方式、实验的基本步骤 。
但无细胞基因表达的转化潜力却受到多种限制 ， 包括蛋白质合成产量低且可变 ， 反应持续时间短和反应规模小 。然而 ， 在过去的20年中 ， 合成生物学研究人员逐渐摆脱了无细胞基因表达潜力的束缚 ， 实验室中的研究有了新突破 ， 带来了更高效率和更大应用范围 。除了使用微生物 ， 也开始用植物、哺乳动物的细胞做培养细胞 ， 还开发了很多真核细胞的系统 。与此同时 ， 蛋白质合成量随着制备工艺的发展 ， 也越来越大 。
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