几分钟"尝"出污染物 检测平台"味蕾"竟来自细菌

几分钟"尝"出污染物 检测平台"味蕾"竟来自细菌

来源:科技日报2020-10-18

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。

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几分钟"尝"出污染物 检测平台"味蕾"竟来自细菌

2020-10-18 05:25:00 来源: 0 条评论

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。

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