“水的妊娠试验”可提供快速，简便的水安全性和质量结果

测试检测到污染物时会发出绿色光。

手持式平台技术使用单个样品来测试各种污染物。

新平台使用无细胞合成生物学技术测试包括铅，铜，药品和化妆品在内的17种污染物测试成本仅需几分钱，而且需要花几分钟的工作研究人员在加利福尼亚州天堂（Paradise，California）对该平台进行了测试，那里的野火导致毒素进入供水系统

一项新的平台技术只需一滴水和几分钟即可评估水的安全性和质量。

类似于妊娠测试，手持式平台使用一个样本来提供易于阅读的阳性或阴性结果。当测试检测到污染物超过EPA标准时，它会发出绿色光。

该测试由西北大学的研究人员领导，可以检测17种不同的污染物，包括铅和铜等有毒金属，药品，化妆品和清洁产品。该平台由无细胞合成生物学支持，非常灵活，研究人员可以不断对其进行更新以检测更多的污染物。

Julius Lucks教授解释了如何使用ROSALIND。

负责这项研究的西北航空的朱利叶斯·卢克斯（Julius Lucks）说：“目前的水测试依靠一个集中的实验室，该实验室包含非常昂贵的设备，并且需要专业知识才能操作。”“发送样品的成本可能高达150美元，并需要数周的时间才能获得结果。我们提供的技术使任何人都可以直接测试自己的水，并在几分钟之内知道他们是否受到污染。它是如此简单，以至于我们可以将其交到最需要它的人手中。”

该研究将于今日（2020年7月6日）发表在《自然生物技术》杂志上。卢克斯（Lucks）是西北麦考密克工程学院的化学和生物工程教授，也是合成生物学中心的成员。Lucks实验室的成员Jaeyoung Jung和Khalid Alam是该论文的第一作者。

分子的“味蕾”

确保水质的主要挑战是人们通常看不见或尝不到污染物。Northwestern的平台使用合成生物学技术来感知这种不明显的污染，从而填补了人类感知不足的空白。

在无细胞合成生物学中，研究人员将分子机制（包括DNA，RNA和蛋白质）带出细胞，然后对其进行重新编程以执行新任务。这个想法类似于打开汽车引擎盖并卸下发动机，这使研究人员可以将发动机用于不同目的，而不受汽车的限制。在这种情况下，卢克斯（Lucks）的团队使用了细菌细胞的分子机制。

“大自然已经解决了这个问题，”阿拉姆说。“生物学已经花费了超过30亿年的时间来发展一种优雅的解决方案来检测污染物。”

“我们发现细菌如何自然地品尝水中的东西，”卢克斯补充道。“他们这样做的时候几乎没有分子水平的'味蕾'。无细胞合成生物学使我们能够去除那些小的分子味蕾，并将其放入试管中。然后，我们可以将它们“重新布线”以产生视觉信号。它会发光，使用户可以快速轻松地查看水中是否有污染物。

将这些重新编程的“味蕾”冷冻干燥，使其保持稳定，然后放入试管中。向试管中加入一滴水，然后轻弹它，会引发化学反应，该化学反应会导致冷冻干燥的颗粒在存在污染物的情况下发光。

“魔术在管子里，”卢克斯说。“我们将所有成分组成并冷冻干燥-与制作宇航员冰淇淋的过程相同。”

受科学界女性的启发

Lucks和他的团队称此测试平台为“通过配体诱导激活的RNA输出传感器。”但是，为了纪念著名化学家罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin），他的团队将其简称为ROSALIND，他与詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）一起发现了DNA双螺旋结构。富兰克林诞辰100周年将在下个月（7月25日）。

卢克斯说：“他的工作最终使我们能够学习如何对DNA进行重新编程，使其发挥作用。”

在开始这个项目时，卢克斯从他一生中的另一位女科学家那里得到了启发：他的妻子西北人类学家塞拉·杨（Sera Young）研究了全球粮食和水安全以及家庭用水不安全在社会福祉中的作用。

卢克斯说：“血清研究研究了不良的水质如何影响人们的日常生活。”人们倾向于去最方便的渠道取水。但是，如果他们知道水被污染了，他们可能会选择走得更远以寻找更安全的水。我们希望每个人都有他们需要的工具，以便做出明智的决定。

天堂里的罗莎琳德

为了测试该新平台，Lucks，Jung，Alam和西北教授Jean-Francois Gaillard于去年底访问了加利福尼亚的天堂。一年前，一连串的大火烧毁了加利福尼亚北部的这座城镇，摧毁了近19,000座建筑物，使大部分人口流离失所。盖拉德（Gaillard）是环境工程学教授，是影响水生系统中金属的生物地球化学过程的专家。

卢克斯说：“野火基本上使这座城市融化了。”“他们烧毁了建筑物，融化了汽车，将有毒金属释放到环境中。”

Lucks，Gaillard和他们的团队对ROSALIND进行了金标准水测试，并发现ROSALIND能够识别供水中是否存在有毒金属。它还提供了更快，更便宜的结果。

卢克斯和他的团队设想，ROSALIND可以像天堂乐园那样帮助恢复工作，在那儿，居民需要进行成千上万次测试，以了解他们的社区是否可以安全地重新进入。

“实验室测试无法扩展，” Alam说。“不需要花费几天的时间就可以回答这个简单的问题：‘我的水可以安全饮用吗？”

在家测试的困难

当然，灾难并不是造成不安全用水的唯一原因。在环境中自然发现的重金属，例如铜和铅，会渗入管道中，污染家用水龙头和学校饮水器。防晒霜和乳液等个人护理产品会洗掉人们的皮肤并最终进入水道。未使用的药品和农业除草剂也进入我们的水中，最后进入我们的水槽。

但是，除非我们能够直接（并定期）测试这些污染物，否则就无法保持内心的平静。

在伊利诺伊州埃文斯顿的家中测试水时，Lucks和Young指出了一些困难。在数月或数年内摄入高水平的铜会导致肝损害甚至死亡。考虑到这一点，Lucks决定检查其生活用水中的铜含量。它花费了150美元，花了一个月的时间才能收到结果。

“这是一次测试，”卢克斯说。“它不允许通过房屋中的不同水龙头来检查水平，也不能随时间进行临时测试。”

测试铅并没有那么容易。大多数硬件商店都提供铅测试套件。但是，在用水装满管子后，仍然必须将其邮寄到集中式机构。每次测试的费用仍然高达$ 150，并且需要数周的时间才能得出结果。而且，如果人们想检查水中是否有其他污染物，例如抗生素，那么消费者根本就不会进行测试。

Jung说：“在开发用于监视病原体的使用点诊断程序方面已经取得了很大的进步。”“但是几乎没有足够的努力来检测化学污染物。”

卢克斯说：“为了确保获得安全和清洁的饮用水，我们需要能够轻松监控水质的技术。”“使用简单，易于使用的手持式设备（如ROSALIND），您可以在家中或野外测试水，而这是您最想使用的水。”

###

参考：Jaeyoung K. Jung，Khalid K. Alam，Matthew S. Verosloff，Daiana A. Capdevila，Morgane Desmau，Phillip R. Clauer，Jeong Wook Lee，Peter Q. Nguyen，帕勃罗·帕斯汀（Pablo A.Pastén），桑德琳·J·马蒂亚塞克（Sandrine J.Matiasek），让·弗朗索瓦·盖拉德（Jean-FrançoisGaillard），大卫·P·吉德罗克（David P.
10.1038 / s41587-020-0571-7

这项名为“用于快速检测水污染物的无细胞生物传感器”的研究得到了美国国家科学基金会（奖项号1452441和1929912），美国国立卫生研究院（奖项号R35 GM118157），王室犹太人和犹太人家庭中心的支持。西北大学的以色列研究和芝加哥社区信托基金的塞尔基金。

编者注：西北初创公司Stemloop选择了ROSALIND技术，并计划将其商业化。如果将商品化，Lucks，Alam和Northwestern将拥有财务利益（特许权使用费，股权）。