由DNA控制的生物計(jì)算機(jī)提供了一種檢測(cè)飲用水中污染物濃度的廉價(jià)且簡(jiǎn)單的方法。實(shí)驗(yàn)表明，計(jì)算機(jī)科學(xué)的邏輯運(yùn)算可以被設(shè)計(jì)到DNA中，使生物計(jì)算機(jī)在檢測(cè)污染物方面更加強(qiáng)大。

由DNA控制的生物計(jì)算機(jī)??圖片來(lái)源：Julius Lucks

美國(guó)西北大學(xué)的Julius Lucks和同事在2020年發(fā)明了一種生物傳感器，可以檢測(cè)一滴水中的污染物。該生物傳感器中包含的蛋白質(zhì)可以通過(guò)產(chǎn)生熒光分子對(duì)某些化學(xué)物質(zhì)的存在作出反應(yīng)。這種易被發(fā)現(xiàn)的反應(yīng)表明水樣已被化學(xué)物質(zhì)污染。

“受到細(xì)菌內(nèi)部自然進(jìn)化機(jī)制的啟發(fā)，科學(xué)家最初試圖通過(guò)改造細(xì)菌進(jìn)行測(cè)試，但要讓它們存活并阻止其擴(kuò)散到環(huán)境中是一個(gè)挑戰(zhàn)?！盠ucks說(shuō)，在合成生物學(xué)中，科學(xué)家試圖重新利用那些檢測(cè)毒素的分子機(jī)器，并對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以便它們按照研究人員希望的方式工作。

現(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種更先進(jìn)的系統(tǒng)——ROSALIND 2.0，不僅可以對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品的存在發(fā)出警告，還可以報(bào)告其含量，以便采取相應(yīng)措施。

該系統(tǒng)有8個(gè)小試管，每個(gè)試管都包含一個(gè)對(duì)污染物具有不同靈敏度的生物傳感器。如果只有一個(gè)試管發(fā)光，那么水樣就只是微量污染。發(fā)光的試管越多，證明水污染越嚴(yán)重。

“該測(cè)試通過(guò)使用‘誘餌’DNA鏈來(lái)工作?！盠ucks說(shuō)，它們被設(shè)計(jì)成與污染物反應(yīng)中的關(guān)鍵中間產(chǎn)物結(jié)合，以防止最終熒光產(chǎn)物的產(chǎn)生。

每個(gè)試管中含有的DNA數(shù)量逐漸增多。因?yàn)榉磻?yīng)最后發(fā)射熒光步驟只發(fā)生在誘餌DNA被用完之后，這意味著含有少量誘餌DNA的試管可能會(huì)在污染物存在的情況下發(fā)出熒光，但含有大量DNA的試管可能不會(huì)。因此可以簡(jiǎn)單地通過(guò)觀察8根試管中熒光反應(yīng)停止的位置測(cè)量污染物水平。

Lucks團(tuán)隊(duì)證明ROSALIND 2.0可以成功檢測(cè)鋅、一種抗生素和一種工業(yè)代謝物。

該方法便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，有需要時(shí)只需將水樣放入每個(gè)試管即可。

考慮到現(xiàn)有的水質(zhì)評(píng)估技術(shù)可能非常昂貴，Lucks希望ROSALIND 2.0能對(duì)此有所幫助。他說(shuō)：“我們正試圖制造出你能想象到的最簡(jiǎn)單、最強(qiáng)大的產(chǎn)品，希望它萬(wàn)無(wú)一失?！?/p>

Lucks團(tuán)隊(duì)還證明，經(jīng)過(guò)改造的DNA可以用來(lái)進(jìn)行邏輯運(yùn)算。它不僅可以像ROSALIND 2.0那樣，在一種物質(zhì)存在時(shí)發(fā)生反應(yīng)，而且科學(xué)家相信，當(dāng)兩種特定的化學(xué)物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)時(shí)，或者兩種化學(xué)物質(zhì)都沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)時(shí)，也可以使它發(fā)生反應(yīng)。這為將更復(fù)雜的分析構(gòu)建到易于使用的測(cè)試中鋪平了道路。（李木子）