幾分鐘嘗出17種水污染物，這種檢測平臺的“味蕾”來自細菌
導 讀
檢測水質也能像妊娠檢測一樣快速、便捷、準確？
日前，一項由美國西北大學的研究人員領導開發的新技術成果發表在《自然·生物技術》上，這項技術通過一個手持式平臺，只需幾分鐘，就可以檢測水質中包括有毒金屬、藥品、化妝品和清潔洗滌品等在內的17種不同污染物。當檢測到污染物超過美國環保署(EPA)公布的標準時，它就會發出綠光。
天津大學化工學院教授齊浩介紹，這項看似便捷、簡單的新技術，背后離不開人類改造自然能力的巨大提升。這項新技術依托無細胞合成生物學技術，通過工程化設計，操控超過百種生物分子，讓它們協同工作，最終實現污水監測的目的。
破碎細胞膜，設計細胞更方便
“這個檢測污染物的‘試紙’很有意思，看似和‘驗孕棒’的使用方法一樣，其實它完全超越了傳統試紙的生化體系，制備方法比傳統試紙復雜得多。”齊浩解釋說，研究團隊使用了來自細菌細胞的分子機器，他們將細菌用于品嘗水中小分子的“味蕾”從細胞中取出，然后將它們設計重組。這些經過重新編程的“味蕾”在冷凍干燥后，變得耐儲藏，可以做成“試紙”方便使用。
“這項技術主要是利用了無細胞合成生物學。合成生物學技術主要還是以細胞為底盤進行工程化設計。但是對細胞進行工程化設計是費時和困難的。”齊浩介紹，由于活細胞生命系統的復雜性、基因元件難以標準化、細胞膜的阻礙等，細胞的生長及適應性過程通常與工程設計目標不一致，生產出大量無效產物，大大限制了對生物組件的改造。
“我們要想用人工的設計，實現更多的人工目的，就要打破細胞的束縛。無細胞合成生物學就是利用細胞資源，破碎細胞膜，從細胞中取出包括DNA、RNA和蛋白質在內的分子元件，然后重新編程，以執行新的任務。也就是在體外開放體系中，實現基因轉錄、蛋白質翻譯和代謝過程。”齊浩解釋，細胞就像一臺電腦，電腦中的主板、聲卡、顯卡等元件各有各的用處。我們在了解了每個元件的用途后，把電腦拆開，把各個原件分解出來，可以按照我們自己的目的運用各個元件的功能，加工改造生產出更多的產品。
“無細胞合成生物學是更加微觀的技術，進入了細胞的內部，在分子層面進行工程改造，來達成我們設定的目的。”齊浩介紹，這個改造工程是個龐大的體系，像這個污染物監測技術，就是通過高靈敏性RNA聚合酶、變構蛋白轉錄因子和合成的DNA轉錄模板相結合，可調節熒光激活RNA適配體的合成，使污染物的存在誘導這種適配體的轉錄，從而導致熒光信號產生。
發展迅猛，研究領域非常廣泛
“當人們能把細胞里各種分子機器運用自如時，就已經比只能利用整個細胞的技術前進了一大步。”齊浩介紹，其實早在20世紀50年代，科研人員就已經發現細胞合成蛋白的核心機制，并且發現把細胞膜破碎掉以后，得到的細胞質也具有蛋白合成的能力。從此以后，研究人員開始展開蛋白合成的研究，確立了制備方式、實驗的基本步驟。
但無細胞基因表達的轉化潛力卻受到多種限制，包括蛋白質合成產量低且可變，反應持續時間短和反應規模小。然而，在過去的20年中，合成生物學研究人員逐漸擺脫了無細胞基因表達潛力的束縛，實驗室中的研究有了新突破，帶來了更高效率和更大應用范圍。除了使用微生物，也開始用植物、哺乳動物的細胞做培養細胞，還開發了很多真核細胞的系統。與此同時，蛋白質合成量隨著制備工藝的發展，也越來越大。
“無細胞合成生物的研究領域非常廣，無細胞的蛋白表達系統是其主要的研究方向之一。”齊浩介紹，此次污染物監測就利用了這個系統，從大腸桿菌中取出小分子水平的“味蕾”部分，設計成針對某種蛋白的表達系統。同時顯現出的綠色熒光，也是通過表達一種熒光蛋白實現的。
“還可以用上千條不同序列的DNA組成各種不同的納米結構，這也屬于無細胞合成生物技術領域；在代謝工程中，通過無細胞合成生物技術，可以把各種代謝酶純化出來，放在一個系統里，通過不同的生化反應環境，讓這些蛋白協同合作，完成一個復雜的化學物質的代謝過程。”齊浩介紹。
“此外，無細胞合成生物技術還有一個重要的研究領域，就是超越自然界，創造自然界沒有的東西。”齊浩解釋說，我們知道，蛋白質是由20種天然的氨基酸合成的，而無細胞合成生物技術可以人工合成新的氨基酸。比如基因折紙的技術，通過人工設計DNA上的分子序列，把DNA折成字母、二維、三維等任意結構。這種折紙技術在細胞內無法實現，而應用了無細胞合成生物技術，就能造出自然界從來沒有的物質。
前景廣闊，但離真正應用還有距離
“雖然無細胞合成生物技術近些年的發展突飛猛進，而且應用前景廣闊，但是在此次美國西北大學發布的這個污染物監測的項目之前，它更多是作為科研的手段和工具。”齊浩介紹，實驗室、制藥公司會用無細胞合成生物技術合成蛋白表達工具，快速簡便。因為在此技術之前，要得到一種蛋白，需要分離純化，需要花費很長時間。而應用這項技術，可以在很短的周期內，得到科研人員想要研究的蛋白，因此常常被作為生物藥物篩選研發技術。
“利用類似技術，實現了高靈敏度的病毒檢測，比核酸檢測更靈敏，區分精準度更高，曾經被制成檢測寨卡病毒的檢測試劑。其實蛋白藥、疫苗、檢測抗體都是基于蛋白的藥物，都可以應用無細胞合成生物的蛋白表達系統生成。”齊浩表示，這些目前算是比較前沿的技術，但還都在轉化的過程中。
“除此之外，無細胞合成技術在工程設計方面更容易實現，通過把生命物質剝離純化，可以生成生化試劑。沒有細胞的束縛，這些試劑與現有自動化設備更容易匹配，因此也更容易在實驗室中形成規模化生產。”齊浩舉例說，比如通過合成生物技術合成蛋白需要兩三天時間，用無細胞技術，可能一兩個小時就能完成，可更好地控制蛋白的產量，實現標準化。
“利用無細胞合成生物技術合成氨基酸，還可以更好地拓展蛋白的功能。比如有些酶，我們把人工合成氨基酸放到酶的核心處之后，酶的活性會提高上百倍上千倍。”齊浩接著說，利用DNA折紙技術，可以制作類似生物分子機器人，這些納米級的機器人可以對另外一些分子進行可控的操作。比如把DNA折成一個盒子，把抗癌的藥物放到盒子中，當盒子遇到癌細胞，就會釋放抗癌藥物。這些都拓展了人類對自然的干預范圍。
“人類要想更好地運用控制這項技術，就要更深入了解細胞中每個分子的特性。雖然無細胞合成生物技術在實驗室中被廣泛研究，但離真正應用于百姓生活中還有一段路要走。”齊浩預測，未來無細胞合成生物技術可能會最先應用到醫藥研發領域，檢測類產品可能會更快地進行技術轉化。