水中有害污染物的檢測(cè)，說難好像也不難，例如某A字開頭的儀器公司發(fā)過論文稱其GC/MS/MS系統(tǒng)一針進(jìn)樣可以分析樣品中的865種農(nóng)殘和環(huán)境污染物；另外也有報(bào)道稱國(guó)內(nèi)的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有能力監(jiān)測(cè)200多種空氣、水質(zhì)、土壤等環(huán)境污染物。但首先這里的前提條件是你得找到有這樣條件的實(shí)驗(yàn)室，其次是你得付得起檢測(cè)的費(fèi)用。但檢測(cè)價(jià)格往往不菲，還需要專業(yè)人員才現(xiàn)場(chǎng)采集樣品后，拿回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理分析，畢竟實(shí)驗(yàn)室不僅僅單做你一個(gè)樣品，所以最后你可能得等上數(shù)周才能得到檢測(cè)結(jié)果。對(duì)于那些缺乏檢測(cè)設(shè)備的地區(qū)，水質(zhì)檢測(cè)就更難了。
　　不過最近，美國(guó)西北大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)新技術(shù)也許能顛覆水質(zhì)監(jiān)測(cè)市場(chǎng)的格局。他們?cè)诮衲?月的《自然-生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）期刊上發(fā)表了一篇文章，題為《Cell-free biosensors for rapid detection of water contaminants》，介紹了他們研發(fā)的一款3D打印的手持式設(shè)備，只需要幾滴水樣，即可在幾分鐘時(shí)間內(nèi)檢出水中的十幾種污染物，成本不過幾美分。這是什么黑科技？我們一起來看個(gè)究竟。

　圖. 西北大學(xué)研發(fā)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)新設(shè)備 | 圖源：YouTube截圖
　　傻瓜式操作
　　這篇文章的通訊作者Julius Lucks教授將這項(xiàng)技術(shù)類比驗(yàn)孕棒，操作十分簡(jiǎn)單：向每個(gè)管內(nèi)加入水樣后，適當(dāng)?shù)乜焖俣稁紫?，蓋上瓶蓋，放回管槽，打開亮燈，就能知道結(jié)果。如下圖所示，有兩個(gè)管內(nèi)裝有樣品，其中一個(gè)發(fā)光，說明樣品中含有污染物，如果發(fā)光程度高，則說明超出了環(huán)保署EPA的標(biāo)準(zhǔn)要求。


　圖. 陽(yáng)性陰性一清二楚 |圖源：YouTube截圖
　　有了這個(gè)檢測(cè)盒，大家都能成為檢測(cè)員，而且?guī)追昼娭畠?nèi)就能知道結(jié)果，例如可以讓使用者判斷某水源可否飲用。他們稱上面這個(gè)可以單手掌控的小盒子可以檢測(cè)17種不同的污染物，包括鉛和銅等有毒金屬、醫(yī)藥品(抗生素)、化妝品和清潔洗滌劑等。
　　當(dāng)合成生物學(xué)遇上水質(zhì)監(jiān)測(cè)
　　一瓶無色的水樣不等于它就是干凈的。但你叫人去嘗味也是不可能的——因?yàn)橐坏﹪L到有毒有害物質(zhì)，我們的身體是會(huì)有反應(yīng)的，俗稱中毒。對(duì)于中毒者我們當(dāng)然深表遺憾，但有科學(xué)家會(huì)提問：我們的細(xì)胞是怎么判斷“待測(cè)物”是否有毒的呢？
　　研究團(tuán)隊(duì)就從細(xì)菌細(xì)胞的運(yùn)作機(jī)制中得到靈感，將細(xì)胞中的重要組成，包括DNA、RNA和蛋白等物質(zhì)進(jìn)行重新組合，成為一個(gè)無細(xì)胞的體外轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)。如果沒搞懂他們?cè)诟缮叮课覀儊泶騻€(gè)比喻：想象一下你把一輛飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)拆了下來，然后把它用來干別的事情。這可不是瞎編，例如百度一下就能查到中兵集團(tuán)用噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)改裝成機(jī)場(chǎng)的超級(jí)吹雪機(jī)的案例。同樣地，科學(xué)家對(duì)這些細(xì)胞內(nèi)的部分模塊進(jìn)行組裝之后，就能成為一個(gè)小巧的生物傳感器。
　　“大自然用30億年的時(shí)間進(jìn)化出毒性檢測(cè)的方法，”文章共同一作的Khalid Alam介紹說，“我們發(fā)現(xiàn)細(xì)菌會(huì)有專門的分子來逐一‘嘗出’水中的物質(zhì)?！?他們要做的就是用無細(xì)胞合成生物學(xué)技術(shù)，將這些特定分子以冷凍干燥(lyoprotection)的形式組裝到小管內(nèi)，當(dāng)遇到目標(biāo)污染物的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生發(fā)光物質(zhì)，這就能讓使用者快速知道水中是否含有特定污染物。
　　再專業(yè)點(diǎn)說，他們使用的分子是高效RNA聚合酶(RNAPs)、變構(gòu)蛋白轉(zhuǎn)錄因子和合成DNA轉(zhuǎn)錄模板的組合。目標(biāo)污染物的存在誘導(dǎo)RNA適配體的轉(zhuǎn)錄，并產(chǎn)生熒光信號(hào)。他們加入RNA反饋線路(feedback circuit)可以無需蛋白質(zhì)工程(protein engineering)的情況下反轉(zhuǎn)響應(yīng)，減少不同信號(hào)通路之間的交聯(lián)(crosstalk)，從而提高靈敏度。
　　Lucks教授的團(tuán)隊(duì)將這套系統(tǒng)取名為ROSALIND，全稱為RNA Output Sensors Activated by Ligand Induction，中文直譯即為配體誘導(dǎo)激活的RNA輸出傳感器。為何如此起名？除了清晰描述運(yùn)作機(jī)理外，還為了能夠拼出ROSALIND這個(gè)簡(jiǎn)稱，以便向著名科學(xué)家Rosalind Franklin致敬。Rosalind Franklin是誰？對(duì)我們水圈的人可能有點(diǎn)陌生，但學(xué)生物的人應(yīng)該都知道，她是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)這一重大發(fā)現(xiàn)的重要貢獻(xiàn)者之一。當(dāng)年是她用X射線測(cè)晶法得到DNA的第一張晶體衍射圖的，這被后人認(rèn)為是解鎖DNA結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵線索。今年的7月25日正好是她誕辰100周年紀(jì)念日，所以團(tuán)隊(duì)用這種方式致以紀(jì)念。
　　
　　圖. RNA聚合酶、變構(gòu)蛋白轉(zhuǎn)錄因子和合成DNA轉(zhuǎn)錄模板的組合 |圖源：Nature Biotechnology

　圖. ROSALIND檢測(cè)系統(tǒng)原理|圖源：Nature Biotechnology
　　加州“天堂”的實(shí)測(cè)
　　光在實(shí)驗(yàn)室得到數(shù)據(jù)是很難讓人信服的，所以研究團(tuán)隊(duì)要去實(shí)地測(cè)試他們的設(shè)備。他們選擇了美國(guó)加州的天堂鎮(zhèn)作為測(cè)試地點(diǎn)。有留意新聞的朋友可能記得在2018年年底，加州北部的天堂鎮(zhèn)（Paradise）發(fā)生了歷史上極其恐怖的一次火災(zāi)，大火過境之處，居民家園皆被夷為平地，摧毀建筑近1.9萬幢，該鎮(zhèn)許多居民因此流離失所。
　　除了財(cái)產(chǎn)受損，這些被毀壞的建筑、燒熔的汽車也將一些有毒金屬釋放到環(huán)境中，例如當(dāng)?shù)氐乃?。他們想?yàn)證ROSALIND的檢測(cè)效果，因此他們還同時(shí)進(jìn)行了常規(guī)的水樣采集和監(jiān)測(cè)，以便進(jìn)行比對(duì)。在這次實(shí)測(cè)中，他們使用了三種傳感器，包括鋅傳感器(SmtB)、銅傳感器(CsoR)和阻斷Cu-Zn信號(hào)交聯(lián)的Cu-NIMPLY-Zn傳感器。
　　如下圖所示，傳感器在伊利諾伊州制備好之后，在常溫環(huán)境下連夜運(yùn)至加州的Chico。為了方便通過肉眼對(duì)取樣水進(jìn)行對(duì)比，他們用實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的純水進(jìn)行對(duì)照反應(yīng)。

　　圖. 研究團(tuán)隊(duì)在加州的四個(gè)采樣點(diǎn) |圖源：Nature Biotechnology
　　結(jié)果顯示：采樣團(tuán)隊(duì)到達(dá)加州后，在四個(gè)不同地點(diǎn)的水樣進(jìn)行采集和過濾后，滴入傳感器的樣品管內(nèi)，并在37°的溫度下孵化4小時(shí)。下圖是測(cè)試結(jié)果。他們對(duì)樣品放入ROSALIND熒光器兩小時(shí)和過夜一晚之后的情況進(jìn)行拍照對(duì)比。然后樣品運(yùn)回伊利諾伊州的實(shí)驗(yàn)室用熒光讀板器進(jìn)行量化測(cè)量。由于轉(zhuǎn)錄反應(yīng)徹底完成，所以熒光信號(hào)可以保持穩(wěn)定，運(yùn)輸過程不會(huì)引起變化。
　　實(shí)驗(yàn)室的火焰原子吸收光譜法分析結(jié)果顯示，四個(gè)采樣點(diǎn)中，有兩個(gè)只含有鋅，其他兩個(gè)包含鋅和銅。這和ROSALIND傳感器的顯示結(jié)果一致。
　　為了進(jìn)一步考察ROSALIND對(duì)復(fù)雜基質(zhì)的靈敏度，他們之后還對(duì)添加了銅的密歇根湖水樣和智利地表水(銅含量高)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果，盡管有些熒光信號(hào)受到了抑制，但能夠指示環(huán)境水樣的污染物。在這次實(shí)測(cè)中，我們也看到冷凍干燥技術(shù)可以防止ROSALIND在運(yùn)輸過程中失效，提高了存儲(chǔ)的便利性。

　圖. 測(cè)試結(jié)果 |圖源：Nature Biotechnology
　　除了重金屬(例如鉛和銅)，防曬霜和乳液等個(gè)人護(hù)理品、抗生素藥品和農(nóng)業(yè)除草劑等化學(xué)物質(zhì)也會(huì)進(jìn)入水環(huán)境，甚至滲入水管道、家里的水龍頭和學(xué)校的飲水機(jī)等地方。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為他們的快速檢測(cè)平臺(tái)能為這些場(chǎng)景的水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供快速準(zhǔn)確的替代方案。
　　RNA檢測(cè)爆發(fā)元年
　　這個(gè)水質(zhì)生物傳感器只是Lucks教授團(tuán)隊(duì)近年的科研成果之一。Lucks教授的團(tuán)隊(duì)近年一直進(jìn)行RNA折疊形狀的相關(guān)研究，他們發(fā)現(xiàn)一系列RNA分子的折疊有相似性，背后可能有其對(duì)應(yīng)的功能，他將這些RNA分子稱作核糖開關(guān)。
　　Lucks去年10月接受采訪時(shí)候還說 “隨著我們對(duì)RNA分子工作原理的加深，我們能更好地發(fā)揮它們的作用。我們希望它們能夠更快、更靈敏地為人類服務(wù)。我們?nèi)栽趯W(xué)習(xí)中，但我們離產(chǎn)品已經(jīng)很接近了?！睕]想到，不到一年的時(shí)間，他們就已經(jīng)實(shí)實(shí)在在做出了檢測(cè)水污染物的生物傳感器原型。
　　這么看來，2020年可能會(huì)是RNA技術(shù)的爆發(fā)元年。除了這種基于RNA轉(zhuǎn)錄的傳感器，全球各大藥企爭(zhēng)相研發(fā)的新冠疫苗也是mRNA疫苗。雖然眾多水處理技術(shù)是基于生物技術(shù)發(fā)展而來，但做生物研究的人其實(shí)對(duì)水行業(yè)知之甚少。然而，隨著基因測(cè)序技術(shù)成本的降低和基因編輯技術(shù)的普及，水行業(yè)和生物行業(yè)的那堵無形的墻似乎已經(jīng)慢慢消融。
　　有個(gè)大膽的猜想：在2030年之后，那些有錢的生物技術(shù)公司會(huì)不會(huì)開始收購(gòu)污水廠作為它們的資產(chǎn)及數(shù)據(jù)庫(kù)？有心的讀者可以保留此文——如果10年后還有微信這玩意，我們一起回來打開這個(gè)時(shí)間膠囊，看看這個(gè)猜想有否成真。

　圖. ROSALIND熒光器的解構(gòu) |圖源：Nature Biotechnology
　　參考資料
　　https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HJHX201606027.htm
　　http://news.ifeng.com/c/7faGPsXXmX4
　　https://news.northwestern.edu/stories/2020/06/pregnancy-test-for-water-delivers-fast-easy-results-on-water-quality/
　　https://www.youtube.com/watch?v=Zw-DKyIeP78&feature=youtu.be
　　https://www.nature.com/articles/s41587-020-0571-7#Fig1
　　https://www.nsf.gov/news/mmg/mmg_disp.jsp?med_id=186632&from=
　　https://www.mccormick.northwestern.edu/news/articles/2019/10/uncovering-the-principles-behind-rna-folding.html
　　https://luckslab.org/research/dynamic-rna-folding-and-function/
　　https://m.thepaper.cn/yidian_promDetail.jsp?contid=8162138&from=yidian