行業(yè)動(dòng)態(tài)
幾分鐘嘗出17種水污染物，這種檢測平臺的“味蕾”來(lái)自細菌
導 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)導開(kāi)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(guò)一個(gè)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的17種不同污染物。當檢測到污染物超過(guò)美國環(huán)保署(EPA)公布的標準時(shí)，它就會(huì )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(jiǎn)單的新技術(shù)，背后離不開(kāi)人類(lèi)改造自然能力的巨大提升。這項新技術(shù)依托無(wú)細胞合成生物學(xué)技術(shù)，通過(guò)工程化設計，操控超過(guò)百種生物分子，讓它們協(xié)同工作，最終實(shí)現污水監測的目的。
破碎細胞膜，設計細胞更方便
“這個(gè)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(shí)它完全超越了傳統試紙的生化體系，制備方法比傳統試紙復雜得多。”齊浩解釋說(shuō)，研究團隊使用了來(lái)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，然后將它們設計重組。這些經(jīng)過(guò)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(wú)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(pán)進(jìn)行工程化設計。但是對細胞進(jìn)行工程化設計是費時(shí)和困難的。”齊浩介紹，由于活細胞生命系統的復雜性、基因元件難以標準化、細胞膜的阻礙等，細胞的生長(cháng)及適應性過(guò)程通常與工程設計目標不一致，生產(chǎn)出大量無(wú)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計，實(shí)現更多的人工目的，就要打破細胞的束縛。無(wú)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)在內的分子元件，然后重新編程，以執行新的任務(wù)。也就是在體外開(kāi)放體系中，實(shí)現基因轉錄、蛋白質(zhì)翻譯和代謝過(guò)程。”齊浩解釋?zhuān)毎拖褚慌_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(gè)元件的用途后，把電腦拆開(kāi)，把各個(gè)原件分解出來(lái)，可以按照我們自己的目的運用各個(gè)元件的功能，加工改造生產(chǎn)出更多的產(chǎn)品。
“無(wú)細胞合成生物學(xué)是更加微觀(guān)的技術(shù)，進(jìn)入了細胞的內部，在分子層面進(jìn)行工程改造，來(lái)達成我們設定的目的。”齊浩介紹，這個(gè)改造工程是個(gè)龐大的體系，像這個(gè)污染物監測技術(shù)，就是通過(guò)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(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(shí)，就已經(jīng)比只能利用整個(gè)細胞的技術(shù)前進(jìn)了一大步。”齊浩介紹，其實(shí)早在20世紀50年代，科研人員就已經(jīng)發(fā)現細胞合成蛋白的核心機制，并且發(fā)現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(kāi)始展開(kāi)蛋白合成的研究，確立了制備方式、實(shí)驗的基本步驟。
但無(wú)細胞基因表達的轉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，反應持續時(shí)間短和反應規模小。然而，在過(guò)去的20年中，合成生物學(xué)研究人員逐漸擺脫了無(wú)細胞基因表達潛力的束縛，實(shí)驗室中的研究有了新突破，帶來(lái)了更高效率和更大應用范圍。除了使用微生物，也開(kāi)始用植物、哺乳動(dòng)物的細胞做培養細胞，還開(kāi)發(fā)了很多真核細胞的系統。與此同時(shí)，蛋白質(zhì)合成量隨著(zhù)制備工藝的發(fā)展，也越來(lái)越大。
“無(wú)細胞合成生物的研究領(lǐng)域非常廣，無(wú)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(gè)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(shí)顯現出的綠色熒光，也是通過(guò)表達一種熒光蛋白實(shí)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，這也屬于無(wú)細胞合成生物技術(shù)領(lǐng)域；在代謝工程中，通過(guò)無(wú)細胞合成生物技術(shù)，可以把各種代謝酶純化出來(lái)，放在一個(gè)系統里，通過(guò)不同的生化反應環(huán)境，讓這些蛋白協(xié)同合作，完成一個(gè)復雜的化學(xué)物質(zhì)的代謝過(guò)程。”齊浩介紹。
“此外，無(wú)細胞合成生物技術(shù)還有一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，就是超越自然界，創(chuàng )造自然界沒(méi)有的東西。”齊浩解釋說(shuō)，我們知道，蛋白質(zhì)是由20種天然的氨基酸合成的，而無(wú)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(guò)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。這種折紙技術(shù)在細胞內無(wú)法實(shí)現，而應用了無(wú)細胞合成生物技術(shù)，就能造出自然界從來(lái)沒(méi)有的物質(zhì)。
前景廣闊，但離真正應用還有距離
“雖然無(wú)細胞合成生物技術(shù)近些年的發(fā)展突飛猛進(jìn)，而且應用前景廣闊，但是在此次美國西北大學(xué)發(fā)布的這個(gè)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(shí)驗室、制藥公司會(huì )用無(wú)細胞合成生物技術(shù)合成蛋白表達工具，快速簡(jiǎn)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(cháng)時(shí)間。而應用這項技術(shù)，可以在很短的周期內，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(fā)技術(shù)。
“利用類(lèi)似技術(shù)，實(shí)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(jīng)被制成檢測寨卡病毒的檢測試劑。其實(shí)蛋白藥、疫苗、檢測抗體都是基于蛋白的藥物，都可以應用無(wú)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(shù)，但還都在轉化的過(guò)程中。
“除此之外，無(wú)細胞合成技術(shù)在工程設計方面更容易實(shí)現，通過(guò)把生命物質(zhì)剝離純化，可以生成生化試劑。沒(méi)有細胞的束縛，這些試劑與現有自動(dòng)化設備更容易匹配，因此也更容易在實(shí)驗室中形成規模化生產(chǎn)。”齊浩舉例說(shuō)，比如通過(guò)合成生物技術(shù)合成蛋白需要兩三天時(shí)間，用無(wú)細胞技術(shù)，可能一兩個(gè)小時(shí)就能完成，可更好地控制蛋白的產(chǎn)量，實(shí)現標準化。
“利用無(wú)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(huì )提高上百倍上千倍。”齊浩接著(zhù)說(shuō)，利用DNA折紙技術(shù)，可以制作類(lèi)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(jìn)行可控的操作。比如把DNA折成一個(gè)盒子，把抗癌的藥物放到盒子中，當盒子遇到癌細胞，就會(huì )釋放抗癌藥物。這些都拓展了人類(lèi)對自然的干預范圍。
“人類(lèi)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(gè)分子的特性。雖然無(wú)細胞合成生物技術(shù)在實(shí)驗室中被廣泛研究，但離真正應用于百姓生活中還有一段路要走。”齊浩預測，未來(lái)無(wú)細胞合成生物技術(shù)可能會(huì )最先應用到醫藥研發(fā)領(lǐng)域，檢測類(lèi)產(chǎn)品可能會(huì )更快地進(jìn)行技術(shù)轉化。