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
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。
本报记者 陈 曦