Новый инструмент для обнаружения загрязнений объединяет синтетическую биологию и нанотехнологии для сверхчувствительного анализа воды
Платформа, разработанная почти 20 лет назад для обнаружения взаимодействий белков с ДНК и точного тестирования на COVID-19, была перепрофилирована для создания высокочувствительного инструмента обнаружения загрязнений воды.
Технология объединяет две области — синтетическую биологию и нанотехнологии — для создания новой платформы химического мониторинга. При настройке на обнаружение различных загрязнителей технология может обнаруживать металлы свинец и кадмий в концентрациях до 2 и 1 частей на миллиард соответственно в течение нескольких минут.
Исследование, опубликованное на этой неделе в журнале ACS Nano, представляет работу нескольких дисциплин в Инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета.
Тест создан путем объединения наномеханических микроконсольных датчиков с биосенсорами на основе синтетической биологии. Крошечные консоли из кремния легко воспроизводимы. При покрытии специально разработанными молекулами ДНК, биосенсорные молекулы — транскрипционные факторы — связываются с ДНК, заставляя консоли изгибаться. При воздействии целевых химических веществ биосенсоры на основе транскрипционных факторов отсоединяются, что заставляет консоль «разгибаться». Это движение можно точно измерить для обнаружения химикатов.
Технологию микроконсольных датчиков объединили с разработкой синтетического биолога Джулиуса Лакса — бесклеточным биосенсором ROSALIND («RNA output sensors activated by ligand induction»). Его первая модель могла обнаруживать 17 различных загрязнителей, используя всего одну каплю воды, и светиться зеленым, если уровень загрязнителя превышал стандарты Агентства по охране окружающей среды США (EPA).
Технология ROSALIND основана на тех же биосенсорах — транскрипционных факторах, которые были настроены для контроля экспрессии генов в бесклеточной реакции путем связывания и отсоединения от ДНК.
Во время пандемии коронавируса Лакс увидел технологию микроконсолей в действии, когда профессора Винаяк П. Дравид и Гаджендра Шекхават адаптировали ее для точного обнаружения SARS-CoV-2. Вдохновившись, Лакс предположил, что, покрыв эти консоли ДНК, разработанной в его лаборатории, можно заставить их обнаруживать химические токсины. Объединив компоненты двух инструментов, дуэт из школы Маккормика вместе с ведущим автором, постдоком Диллипом Агарвалом и аспирантом Тайлером Луччи, создал сверхчувствительный тест на загрязнители воды.
«Это микро- и наносистемы, которым не нужно много вирусного материала, чтобы показать результат», — сказал эксперт по нанотехнологиям Дравид. — «Микроконсоли могут дать результат быстрее, в течение двух-трех минут, поскольку они используют специфическое поверхностное связывание. И в отличие от большинства доступных сенсоров, которые полагаются только на один белок, мы можем одновременно отслеживать несколько целей».
Команда начала с тестирования тетрациклина, поскольку его частое использование в синтетической биологии позволило накопить глубокие знания о его поведении, а затем перешла к обнаружению свинца и кадмия в концентрациях всего в несколько частей на миллиард, что является рекордом для подходов на основе биосенсоров.
Команды надеются упростить технологию, которая сейчас требует специализированного оборудования для визуализации микроскопических изгибов. В конечном итоге они считают, что устройство можно будет адаптировать для мониторинга токсинов в организме человека в целях здравоохранения и для экологических задач, таких как повышение стандартов безопасности питьевой воды.