據悉，一款新型DNA計算機配備了八個小試管，當它檢測到污染物時就會發出綠色的光。發光的試管的數量則取決於污染的數量。如果只有一個試管發亮，那麼代表水樣只有微量的污染。但如果八個管子都亮起來，那麼就意味著水遭到了嚴重的污染。換句話說，污染的濃度越高信號就越高。

領導這項研究的麥考密克工程學院的Julius B. Lucks介紹稱：“我們對每個管子進行編程，從而使其具有不同的污染閾值。具有最低閾值的管子將會一直亮著。如果所有的管子都亮了，那麼就會有一個大問題。建立電路和可編程的DNA計算為其他類型的智能診斷開闢了許多可能性。”

Lucks是Nothwestern Enginnering的化學和生物工程教授，也是Synthetic Biology中心的成員。該論文的共同作者包括Jaeyoung Jung、Chloé Archuleta和Khalid Alam–他們都來自美西北大學。

認識一下ROSALIND

這個新系統建立在Lucks及其團隊於2020年7月在《Nature Biotechnology》上發表的工作基礎上。在這項工作中，該團隊介紹了ROSALIND，它可以感知一滴水中的17種不同污染物。當檢測到污染物超過美國環境保護署(EPA)的標準時，它要么發綠光要么不發綠光，從而給出一個簡單、易讀的陽性或陰性結果。

為了開發ROSALIND，Lucks和他的團隊採用了無細胞合成生物學。通過合成生物學，研究人員將分子機器–包括DNA、RNA和蛋白質–從細胞中取出，然後重新編程該機器以執行新任務。當時，Lucks將ROSALIND的內部運作比作“分子味蕾”。

他說道：“我們發現了細菌是如何自然地品嚐它們水中的東西的。它們是用小分子級的’味蕾’來做的。無細胞合成生物學使我們能把這些小分子味蕾拿出來並把它們放到試管中。然後我們可以給它們’重新接線’以產生視覺信號。它發亮進而讓用戶快速、輕鬆地看到水中是否有污染物。”

分子腦力

現在，在新版本中–被稱為ROSALIND 2.0–Lucks和他的團隊增加了一個“分子大腦”。

“最初的平台是一個生物傳感器，它的作用就像一個味蕾，”Lucks說道，“現在我們增加了一個基因網絡，就像大腦一樣工作。生物傳感器檢測污染，但隨後生物傳感器的輸出進入遺傳網絡或電路，它像大腦一樣工作並執行邏輯。”

研究人員將重新編程的“分子大腦”冷凍乾燥，進而使其具有貨架穩定性，然後將其放入試管。在每個試管中加入一滴水就會引發一個反應和相互作用的網絡，最終使凍乾的顆粒在有污染物的情況下發光。

為了測試這個新系統，Lucks和他的團隊證明它可以成功地檢測出鋅、一種抗生素和一種工業代謝物的濃度水平。Lucks指出，提供污染水平–而不是簡單的陽性或陰性結果–對於告知緩解策略非常重要。

“在我們推出ROSALIND後，人們表示他們想要一個也能提供濃度的平台。不同的污染物在不同的水平上需要不同的策略。如如果你的水中有低水平的鉛，那麼你也許可以通過在使用水管之前沖洗水管來解決。但如果你的水平很高，那麼你需要立即停止飲水並更換你的水管。”

賦予個人權力

最終，Lucks和他的團隊希望賦予個人權力以定期測試他們自己的水。有了像ROSALIND這樣價格低廉的手持設備，這可能很快就會成為現實。

Lucks表示：“很明顯，我們需要讓人們獲得信息以做出重要的、有時是拯救生命的決定。我們在COVID-19的家庭測試中看到了這一點。人們需要家庭測試，因為他們需要快速和定期的信息。這跟用水的情況類似。在許多情況下，需要對水質進行常規測量。這不是一次性的事情，因為污染水平會隨著時間的推移而改變。”