DNA計算機可以測試飲用水是否被污染

由DNA控制的生物計算機提供了一種廉價且簡單的方法，來檢測飲用水中污染物的濃度。實驗表明，計算機科學的邏輯運算可以被設計成DNA，使未來的生物計算機在檢測污染物方面的能力更加強大。

美國伊利諾伊州西北大學的Julius Lucks和同事在2020年發明了一種生物傳感器，它可以檢測一滴水中的污染物。其包含的蛋白質可以通過產生熒光分子來對某些化學物質的存在作出反應。這種易被發現的反應可以作為一種警告，表明水樣已被這些化學物質污染了。

“所涉及的反應受到了細菌內部自然進化機制的啟發。”Lucks說，科學家最初試圖通過改造細菌來進行測試，但要讓它們存活并阻止其擴散到環境中是一個挑戰。

“在合成生物學中，我們正試圖重新利用那些檢測毒素的分子機器，并對它們進行重新設計，以便使它們按照我們希望的方式工作。”Lucks說。

現在，該團隊已經開發出一種更先進的系統，不僅可以危險化學品的存在發出警告，還可以報告其存在的數量，以便采取相應措施。

這個被稱為ROSALIND 2.0的系統有8個小試管，每個試管都包含一個對污染物具有不同靈敏度的生物傳感器。如果只有一個試管發光，那么水樣就只有微量污染。但隨著更多的試管發光，就證明水污染越來越嚴重。

“該測試通過使用‘誘餌’DNA鏈來工作。”Lucks說，它們被設計成與污染物反應中的關鍵中間產物緊密結合，防止最終熒光產物的產生。

每個試管中的這種DNA數量逐漸增多。因為反應的最后熒光步驟只發生在誘餌DNA被用完之后，這意味著含有少量誘餌DNA的試管可能會在污染物的存在下發出熒光，但含有大量DNA的試管可能不會。可以簡單地通過觀察熒光反應在8個試管的哪一排停止來測量污染物的水平。

Lucks團隊證明ROSALIND 2.0可以成功檢測鋅、一種抗生素和一種工業代謝物。

無細胞測試還可以冷凍干燥，便于儲存和運輸，需要時只需將水樣放入每個試管即可激活。

確定污染物的濃度有助于決定必要的補救措施。例如，如果你的飲用水中含有微量鉛，那么你可能只需要在使用前沖洗水管，但如果含量很高，就需要立即停止飲用。

“每個人都應該擁有這些東西。”Lucks說，“你應該知道你的水是否可以安全飲用。”

考慮到現有的水質評估技術可能非常昂貴，Lucks希望ROSALIND 2.0能對此有所幫助。他說：“我們正試圖制造出你能想象到的最簡單、最強大的產品，所以希望它是萬無一失的。”。

Lucks團隊還證明，經過改造的DNA可以用來進行邏輯運算，它不僅可以像ROSALIND 2.0那樣，在一種物質存在時發生反應。而且他們相信只有當兩種特定的化學物質被發現時，或者兩種化學物質都沒有被發現時，也可以使它發生反應。這為將更復雜的分析構建到易于使用的測試中鋪平了道路。

相關論文發表于2月17日出版的《自然—化學生物學》。