点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:几分钟“尝”出17种水污染物 这种检测平台的“味蕾”竟来自细菌
首页> 地方频道> 科学 > 正文

几分钟“尝”出17种水污染物 这种检测平台的“味蕾”竟来自细菌

来源:科技日报2020-08-25 09:55

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  检测水质也能像妊娠检测一样快速、便捷、准确?日前,一项由美国西北大学的研究人员领导开发的新技术成果发表在《自然·生物技术》上,这项技术通过一个手持式平台,只需几分钟,就可以检测水质中包括有毒金属、药品、化妆品和清洁洗涤品等在内的17种不同污染物。当检测到污染物超过美国环保署(EPA)公布的标准时,它就会发出绿光。

  天津大学化工学院教授齐浩介绍,这项看似便捷、简单的新技术,背后离不开人类改造自然能力的巨大提升。这项新技术依托无细胞合成生物学技术,通过工程化设计,操控超过百种生物分子,让它们协同工作,最终实现污水监测的目的。

  破碎细胞膜,设计细胞更方便

  “这个检测污染物的‘试纸’很有意思,看似和‘验孕棒’的使用方法一样,其实它完全超越了传统试纸的生化体系,制备方法比传统试纸复杂得多。”齐浩解释说,研究团队使用了来自细菌细胞的分子机器,他们将细菌用于品尝水中小分子的“味蕾”从细胞中取出,然后将它们设计重组。这些经过重新编程的“味蕾”在冷冻干燥后,变得耐储藏,可以做成“试纸”方便使用。

  “这项技术主要是利用了无细胞合成生物学。合成生物学技术主要还是以细胞为底盘进行工程化设计。但是对细胞进行工程化设计是费时和困难的。”齐浩介绍,由于活细胞生命系统的复杂性、基因元件难以标准化、细胞膜的阻碍等,细胞的生长及适应性过程通常与工程设计目标不一致,生产出大量无效产物,大大限制了对生物组件的改造。

  “我们要想用人工的设计,实现更多的人工目的,就要打破细胞的束缚。无细胞合成生物学就是利用细胞资源,破碎细胞膜,从细胞中取出包括DNA、RNA和蛋白质在内的分子元件,然后重新编程,以执行新的任务。也就是在体外开放体系中,实现基因转录、蛋白质翻译和代谢过程。”齐浩解释,细胞就像一台电脑,电脑中的主板、声卡、显卡等元件各有各的用处。我们在了解了每个元件的用途后,把电脑拆开,把各个原件分解出来,可以按照我们自己的目的运用各个元件的功能,加工改造生产出更多的产品。

  “无细胞合成生物学是更加微观的技术,进入了细胞的内部,在分子层面进行工程改造,来达成我们设定的目的。”齐浩介绍,这个改造工程是个庞大的体系,像这个污染物监测技术,就是通过高灵敏性RNA聚合酶、变构蛋白转录因子和合成的DNA转录模板相结合,可调节荧光激活RNA适配体的合成,使污染物的存在诱导这种适配体的转录,从而导致荧光信号产生。

  发展迅猛,研究领域非常广泛

  “当人们能把细胞里各种分子机器运用自如时,就已经比只能利用整个细胞的技术前进了一大步。”齐浩介绍,其实早在20世纪50年代,科研人员就已经发现细胞合成蛋白的核心机制,并且发现把细胞膜破碎掉以后,得到的细胞质也具有蛋白合成的能力。从此以后,研究人员开始展开蛋白合成的研究,确立了制备方式、实验的基本步骤。

  但无细胞基因表达的转化潜力却受到多种限制,包括蛋白质合成产量低且可变,反应持续时间短和反应规模小。然而,在过去的20年中,合成生物学研究人员逐渐摆脱了无细胞基因表达潜力的束缚,实验室中的研究有了新突破,带来了更高效率和更大应用范围。除了使用微生物,也开始用植物、哺乳动物的细胞做培养细胞,还开发了很多真核细胞的系统。与此同时,蛋白质合成量随着制备工艺的发展,也越来越大。

  “无细胞合成生物的研究领域非常广,无细胞的蛋白表达系统是其主要的研究方向之一。”齐浩介绍,此次污染物监测就利用了这个系统,从大肠杆菌中取出小分子水平的“味蕾”部分,设计成针对某种蛋白的表达系统。同时显现出的绿色荧光,也是通过表达一种荧光蛋白实现的。

  “还可以用上千条不同序列的DNA组成各种不同的纳米结构,这也属于无细胞合成生物技术领域;在代谢工程中,通过无细胞合成生物技术,可以把各种代谢酶纯化出来,放在一个系统里,通过不同的生化反应环境,让这些蛋白协同合作,完成一个复杂的化学物质的代谢过程。”齐浩介绍。

  “此外,无细胞合成生物技术还有一个重要的研究领域,就是超越自然界,创造自然界没有的东西。”齐浩解释说,我们知道,蛋白质是由20种天然的氨基酸合成的,而无细胞合成生物技术可以人工合成新的氨基酸。比如基因折纸的技术,通过人工设计DNA上的分子序列,把DNA折成字母、二维、三维等任意结构。这种折纸技术在细胞内无法实现,而应用了无细胞合成生物技术,就能造出自然界从来没有的物质。

  前景广阔,但离真正应用还有距离

  “虽然无细胞合成生物技术近些年的发展突飞猛进,而且应用前景广阔,但是在此次美国西北大学发布的这个污染物监测的项目之前,它更多是作为科研的手段和工具。”齐浩介绍,实验室、制药公司会用无细胞合成生物技术合成蛋白表达工具,快速简便。因为在此技术之前,要得到一种蛋白,需要分离纯化,需要花费很长时间。而应用这项技术,可以在很短的周期内,得到科研人员想要研究的蛋白,因此常常被作为生物药物筛选研发技术。

  “利用类似技术,实现了高灵敏度的病毒检测,比核酸检测更灵敏,区分精准度更高,曾经被制成检测寨卡病毒的检测试剂。其实蛋白药、疫苗、检测抗体都是基于蛋白的药物,都可以应用无细胞合成生物的蛋白表达系统生成。”齐浩表示,这些目前算是比较前沿的技术,但还都在转化的过程中。

  “除此之外,无细胞合成技术在工程设计方面更容易实现,通过把生命物质剥离纯化,可以生成生化试剂。没有细胞的束缚,这些试剂与现有自动化设备更容易匹配,因此也更容易在实验室中形成规模化生产。”齐浩举例说,比如通过合成生物技术合成蛋白需要两三天时间,用无细胞技术,可能一两个小时就能完成,可更好地控制蛋白的产量,实现标准化。

  “利用无细胞合成生物技术合成氨基酸,还可以更好地拓展蛋白的功能。比如有些酶,我们把人工合成氨基酸放到酶的核心处之后,酶的活性会提高上百倍上千倍。”齐浩接着说,利用DNA折纸技术,可以制作类似生物分子机器人,这些纳米级的机器人可以对另外一些分子进行可控的操作。比如把DNA折成一个盒子,把抗癌的药物放到盒子中,当盒子遇到癌细胞,就会释放抗癌药物。这些都拓展了人类对自然的干预范围。

  “人类要想更好地运用控制这项技术,就要更深入了解细胞中每个分子的特性。虽然无细胞合成生物技术在实验室中被广泛研究,但离真正应用于百姓生活中还有一段路要走。”齐浩预测,未来无细胞合成生物技术可能会最先应用到医药研发领域,检测类产品可能会更快地进行技术转化。(陈 曦)

[ 责编:张蕃 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 河北遵化:京秦高速遵秦段抓紧施工赶进度

  • 山东邹平:黄河沿岸金秋时节迎丰收

独家策划

推荐阅读
2020年9月21日,是中国航空事业111周年的日子。1909年的这一天,当冯如驾驶着以自己的名字命名的“冯如一号”腾空而起的那一刻,天空中迎来了来自东方大国的身影,中国人只能靠想象去触摸天空的历史也永远地结束了。
2020-09-21 11:36
温州医科大学附属眼视光医院近视防控专科副主任徐菁菁说,现在临床上有不少控制近视发展的方法。根据目前的研究和临床经验,阿托品滴眼液、角膜塑形镜(OK镜)、多焦软性隐形眼镜和周边离焦光学镜片对近视进展控制有效。
2020-09-21 09:45
农用薄膜作为重要农业生产资料被广泛使用,图为贵州省黔东南苗族侗族自治州榕江县砂糖橘种植基地,村民为砂糖橘覆盖农膜保温。王伟指出,在回收环节,《办法》鼓励研发和推广回收机械、机械化回收等回收技术,在再利用环节,鼓励农用薄膜生产者牵头回收废旧农用薄膜,扶持农用薄膜回收再利用社会化服务组织和企业。
2020-09-21 09:43
作为解放军总医院(301医院)神经外科治疗帕金森症的专家,凌至培此刻身在海南,他一边演示指鼻尖,一边让患者照着做。利用5G技术和3D全息影像技术,把医生从屏幕中解放出来,一场“穿越式”出诊在现实中发生。
2020-09-21 09:48
糖尿病慢性并发症调查表明,动脉粥样硬化性心血管疾病(ASCVD)是2型糖尿病患者致死、致残的主要原因,近半数的糖尿病患者因心血管疾病(CVD)而死亡。近年来新一代SGLT2抑制剂类降糖药物的诞生,也是2型糖尿病治疗手段最显著的进展。
2020-09-21 09:48
如今,哈尔滨理工大学已有4人成长为中国科学院院士或中国工程院院士,他们在各自岗位上潜心研究、勇攀高峰、甘为人梯、奖掖后学,成为哈理工人传承王大珩院士科学家精神的具体体现。
2020-09-21 09:42
60岁的张庭固,是新疆伊犁州察布查尔县托布村的种粮大户。扬州大学党委书记姚冠新在江苏援疆指挥部陈翔副总指挥长的安排下,带着专家团队来到察布查尔县开展针对性调研,并签订了产学研合作协议。
2020-09-21 09:42
王虎小心翼翼地把套袋拉下来,一串串葡萄露了出来,晶莹透亮。自己种葡萄种出门道,王虎没有忘记六安的父老乡亲们。有乡亲们看到种葡萄能挣钱,想模仿,王虎会尽量支持。
2020-09-21 09:40
俄罗斯门捷列夫化工大学用壳聚糖、藻酸盐两种生物聚合物和银纳米颗粒合成了一种新材料,不仅可以有效止血,还具有明显抗菌活性。俄罗斯科研人员提出一种含有三种成分的新止血材料,藻酸盐、壳聚糖(分别从藻类和甲壳动物的壳中提取)和银纳米颗粒。
2020-09-21 09:40
(记者刘霞)据英国帝国理工学院官网近日消息,该校研究人员主导的团队将开展一项临床试验,以验证通过向呼吸道喷射的方式使用新冠疫苗的效果。牛津大学新冠疫苗项目领衔学者之一的莎拉·吉尔贝特教授说,在此前的临床试验中,通过肌肉注射完成的候选疫苗接种已展示出不错效果。
2020-09-21 09:39
如果这种对一个平方度的天区进行“铅笔束”式的高敏感度扫描都能发现45颗之前未知的卫星,那尺寸在800米以上的木星卫星数量据估计应该在600颗左右。如果一颗很“迷你”的石块,只要绕着行星运转,就算它的卫星的话,太阳系内的卫星数量恐怕要飙升了。
2020-09-21 09:38
”  始于秀丽风景,合于双创热土,安于全面小康——作为浙江省省会、长三角中心城市之一的杭州,通过数字赋能,持续丰富着“人间天堂”的内涵。杭州市数据资源管理局相关负责人介绍,杭州城市大脑已建成涵盖公共交通、城市管理、卫生健康、基层治理等11大系统48个应用场景。
2020-09-21 09:34
“今年冬天或明年春天新冠疫情应该还会继续存在,而且很可能发生局部地区的暴发。对大家普遍关心的病毒突变是否会影响疫苗效果这个问题,陈薇介绍,其团队一直在进行全球新冠病毒基因组序列进化分析。
2020-09-21 09:32
“稻蟹模式、稻虾模式是利用动物和植物和谐共生,达到稳粮增收的效果,这是一种绿色生态种养新技术。目前彭泽县已成为江西省最大的虾蟹产出地,2019年养殖小龙虾12万亩,年产量1.5万吨,年产值6亿元左右,预计到2020年底将达到16万亩以上。
2020-09-21 09:32
昌吉国家农业科技园区老龙河示范区的小麦种植基地内,无人机正在进行田地飞防作业。园区还创新农业发展模式,增强农业内生动力,逐步打造集创意种养、加工销售、科教旅游于一体的新型生态观光农业建设模式。
2020-09-21 09:30
和银河系这样的旋涡星系相比,受限于观测设备和条件,无论是超致密矮星系还是超弥散星系,观测样本都非常小,这就给研究极端密度星系带来了客观的困难。超致密矮星系的典型物理尺度为25秒差距左右,如果想观测室女星系团里的超致密矮星系,相当于在乌鲁木齐观察上海东方明珠上的一枚硬币。
2020-09-21 09:29
如果倾角最大时正好碰上距角比较大,那么水星就有机会达到最大的高度。水星逆行时,正是它和太阳的角距离最小的时候,再加上黄道倾角的影响,导致大名鼎鼎的水逆,其实仅凭肉眼根本看不到。
2020-09-21 09:28
来源:NASA   只有向金星发送探测器,在大气层中磷化氢存在的位置实地检测到微生物,才可以说金星存在生命。”  因此,金星以及其他天体环境是否可能孕育生命,与其强调环境的极端,不如探究哪些存在形式可以被定义为生命活动。
2020-09-21 09:25
2020年9月19日 16:00-18:00
2020-09-19 06:27
这个秋季学期,让一些需要赴境外国家和地区留学的学生感到纠结。参与此次招生的有北京、浙江、广东等19个省市的约90个中外合作办学以及内地与港澳台地区合作办学机构和项目。
2020-09-18 09:28
加载更多