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幾分鐘“嘗”出17種水污染物 這種檢測平台的“味蕾”竟來自細菌

來源:科技日報2020-08-25 09:55

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  檢測水質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的研究人員領導開發的新技術成果發表在《自然·生物技術》上,這項技術通過一個手持式平台,只需幾分鐘,就可以檢測水質中包括有毒金屬、藥品、化妝品和清潔洗滌品等在內的17種不同污染物。當檢測到污染物超過美國環保署(EPA)公佈的標準時,它就會發出綠光。

  天津大學化工學院教授齊浩介紹,這項看似便捷、簡單的新技術,背後離不開人類改造自然能力的巨大提升。這項新技術依託無細胞合成生物學技術,通過工程化設計,操控超過百種生物分子,讓它們協同工作,最終實現污水監測的目的。

  破碎細胞膜,設計細胞更方便

  “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試紙的生化體系,製備方法比傳統試紙複雜得多。”齊浩解釋説,研究團隊使用了來自細菌細胞的分子機器,他們將細菌用於品嚐水中小分子的“味蕾”從細胞中取出,然後將它們設計重組。這些經過重新編程的“味蕾”在冷凍乾燥後,變得耐儲藏,可以做成“試紙”方便使用。

  “這項技術主要是利用了無細胞合成生物學。合成生物學技術主要還是以細胞為底盤進行工程化設計。但是對細胞進行工程化設計是費時和困難的。”齊浩介紹,由於活細胞生命系統的複雜性、基因元件難以標準化、細胞膜的阻礙等,細胞的生長及適應性過程通常與工程設計目標不一致,生產出大量無效產物,大大限制了對生物組件的改造。

  “我們要想用人工的設計,實現更多的人工目的,就要打破細胞的束縛。無細胞合成生物學就是利用細胞資源,破碎細胞膜,從細胞中取出包括DNA、RNA和蛋白質在內的分子元件,然後重新編程,以執行新的任務。也就是在體外開放體系中,實現基因轉錄、蛋白質翻譯和代謝過程。”齊浩解釋,細胞就像一台電腦,電腦中的主板、聲卡、顯卡等元件各有各的用處。我們在瞭解了每個元件的用途後,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,加工改造生產出更多的產品。

  “無細胞合成生物學是更加微觀的技術,進入了細胞的內部,在分子層面進行工程改造,來達成我們設定的目的。”齊浩介紹,這個改造工程是個龐大的體系,像這個污染物監測技術,就是通過高靈敏性RNA聚合酶、變構蛋白轉錄因子和合成的DNA轉錄模板相結合,可調節熒光激活RNA適配體的合成,使污染物的存在誘導這種適配體的轉錄,從而導致熒光信號產生。

  發展迅猛,研究領域非常廣泛

  “當人們能把細胞裏各種分子機器運用自如時,就已經比只能利用整個細胞的技術前進了一大步。”齊浩介紹,其實早在20世紀50年代,科研人員就已經發現細胞合成蛋白的核心機制,並且發現把細胞膜破碎掉以後,得到的細胞質也具有蛋白合成的能力。從此以後,研究人員開始展開蛋白合成的研究,確立了製備方式、實驗的基本步驟。

  但無細胞基因表達的轉化潛力卻受到多種限制,包括蛋白質合成產量低且可變,反應持續時間短和反應規模小。然而,在過去的20年中,合成生物學研究人員逐漸擺脱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用範圍。除了使用微生物,也開始用植物、哺乳動物的細胞做培養細胞,還開發了很多真核細胞的系統。與此同時,蛋白質合成量隨着製備工藝的發展,也越來越大。

  “無細胞合成生物的研究領域非常廣,無細胞的蛋白表達系統是其主要的研究方向之一。”齊浩介紹,此次污染物監測就利用了這個系統,從大腸桿菌中取出小分子水平的“味蕾”部分,設計成針對某種蛋白的表達系統。同時顯現出的綠色熒光,也是通過表達一種熒光蛋白實現的。

  “還可以用上千條不同序列的DNA組成各種不同的納米結構,這也屬於無細胞合成生物技術領域;在代謝工程中,通過無細胞合成生物技術,可以把各種代謝酶純化出來,放在一個系統裏,通過不同的生化反應環境,讓這些蛋白協同合作,完成一個複雜的化學物質的代謝過程。”齊浩介紹。

  “此外,無細胞合成生物技術還有一個重要的研究領域,就是超越自然界,創造自然界沒有的東西。”齊浩解釋説,我們知道,蛋白質是由20種天然的氨基酸合成的,而無細胞合成生物技術可以人工合成新的氨基酸。比如基因摺紙的技術,通過人工設計DNA上的分子序列,把DNA折成字母、二維、三維等任意結構。這種摺紙技術在細胞內無法實現,而應用了無細胞合成生物技術,就能造出自然界從來沒有的物質。

  前景廣闊,但離真正應用還有距離

  “雖然無細胞合成生物技術近些年的發展突飛猛進,而且應用前景廣闊,但是在此次美國西北大學發佈的這個污染物監測的項目之前,它更多是作為科研的手段和工具。”齊浩介紹,實驗室、製藥公司會用無細胞合成生物技術合成蛋白表達工具,快速簡便。因為在此技術之前,要得到一種蛋白,需要分離純化,需要花費很長時間。而應用這項技術,可以在很短的週期內,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技術。

  “利用類似技術,實現了高靈敏度的病毒檢測,比核酸檢測更靈敏,區分精準度更高,曾經被製成檢測寨卡病毒的檢測試劑。其實蛋白藥、疫苗、檢測抗體都是基於蛋白的藥物,都可以應用無細胞合成生物的蛋白表達系統生成。”齊浩表示,這些目前算是比較前沿的技術,但還都在轉化的過程中。

  “除此之外,無細胞合成技術在工程設計方面更容易實現,通過把生命物質剝離純化,可以生成生化試劑。沒有細胞的束縛,這些試劑與現有自動化設備更容易匹配,因此也更容易在實驗室中形成規模化生產。”齊浩舉例説,比如通過合成生物技術合成蛋白需要兩三天時間,用無細胞技術,可能一兩個小時就能完成,可更好地控制蛋白的產量,實現標準化。

  “利用無細胞合成生物技術合成氨基酸,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後,酶的活性會提高上百倍上千倍。”齊浩接着説,利用DNA摺紙技術,可以製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範圍。

  “人類要想更好地運用控制這項技術,就要更深入瞭解細胞中每個分子的特性。雖然無細胞合成生物技術在實驗室中被廣泛研究,但離真正應用於百姓生活中還有一段路要走。”齊浩預測,未來無細胞合成生物技術可能會最先應用到醫藥研發領域,檢測類產品可能會更快地進行技術轉化。(陳 曦)

[ 責編:張蕃 ]
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