手持DNA计算机可以评估水质

西北大学合成生物学家已经开发出一种低成本、易于使用的手持设备,可以让用户知道,仅仅几分钟内——如果他们的水可以安全饮用。

新设备的工作原理是利用强大的和可编程的基因网络,模拟电子电路,来执行一系列的逻辑功能。

基于dna的电路中,例如,研究人员设计分子成游离模拟-数字转换器(ADC),一种无处不在的电路中发现几乎所有的电子设备。水质设备,ADC电路流程模拟输入(污染物)并生成一个数字输出(视觉信号,通知用户)。

这项研究将发表在《华尔街日报》2月17日化学生物学性质。

配备一系列的八个小试管,当它检测到一种污染物设备始终闪烁着绿光。发光管的数量取决于有多少污染。如果只有一个管发光,水样有微量的污染水平。但如果所有八个管发光,那么水严重污染。换句话说,更高浓度的污染会导致更高的信号。

“我们设定每个管为污染有不同的阈值,”西北大学的说朱利叶斯·b·挚领导这项研究。“管最低阈值将点亮。如果所有的管点亮,然后是一个大问题。建立电路和可编程DNA计算开辟了许多其他类型的智能诊断的可能性。”

菜是一个教授在西北大学化学和生物工程麦考密克工程学院和的一员合成生物学中心。论文的合著者包括Jaeyoung荣格,克洛伊阿楚和哈立德阿拉姆——所有从西北。

罗莎琳德见面

新系统构建挚的工作和他的团队发表在自然生物技术在2020年7月。在工作,团队介绍了罗莎琳德(著名的化学家罗莎琳德富兰克林的名字命名,简称“RNA输出传感器由配体诱导激活”),这可能有17个不同污染物在一滴水。当测试发现污染物超过美国。环境保护署的标准,它发出的是绿光或不给一个简单的,易读的积极或消极的结果。

罗莎琳德,挚颗粒合成生物学的和他的团队使用。与合成生物学,研究人员把分子机械——包括DNA、RNA和蛋白质的细胞,然后重新编程,机械执行新任务。当时,挚罗莎琳德的内部运作比作“分子味蕾。”

“我们发现细菌自然味道的东西在他们的水,”他说。“他们这样做小分子水平上的味蕾。“合成生物学游离允许我们把这些小分子的味蕾,放进试管。我们可以产生视觉信号连接。它能让用户快速、轻松地看到如果有污染物在水里。”

分子的智力

现在,在新版本——被称为罗莎琳德2.0 -挚和他的团队已经添加了一个“大脑分子。”

“最初的平台是可以检测,它像一个味蕾,“挚说。“现在我们增加了一个遗传网络,就像一个大脑。可以检测检测污染,但然后可以检测源的输出到基因网络,或电路,这就像一个大脑执行逻辑。”

大脑研究者冻干重组“分子”变得耐储存,放进试管。每个管集添加一滴水的反应和相互作用,最终导致冻干颗粒发光在污染物的存在。

测试新系统,挚和他的研究小组证明,它可以成功检测浓度水平的锌、抗生素和工业代谢物。给污染的水平——而不是一个简单的积极或消极的结果——对于通知缓解策略很重要,挚说。

“在我们介绍了罗莎琳德,人们说他们想要一个平台,也可以给数量浓度,”他说。“不同污染物在不同层次需要不同的策略。如果你有一个低水平的铅水,例如,那么你也许能够容忍它通过冲洗水行之前,使用它们。但是如果你有高水平,那么你需要立即停止你的喝水和替换你的水。”

授权人

最终,挚和他的团队希望赋予个人定期测试他们自己的水。手持设备就像罗莎琳德和便宜的,很快就会成为现实。

“很明显,我们需要使人们与信息重要,有时拯救生命的决定,“挚说。“我们看到,在为COVID-19家庭测试。人们需要家庭因为他们需要这些信息很快并定期测试。这是类似于水。在许多情况下,水质需要经常测量。这不是一个一次性的事情,因为污染水平可以随着时间而改变。”

参考:荣格JK,阿楚厘米,阿拉姆KK,挚简森-巴顿。颗粒与DNA链位移传感器电路的编程。Nat化学杂志。2022:1-9。doi:10.1038 / s41589 - 021 - 00962 - 9

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