'Тест на беременность для воды' быстро и просто определяет качество воды

Новая платформа позволяет оценить безопасность и качество воды с помощью всего одной капли и за несколько минут.

По аналогии с тестом на беременность, портативное устройство использует один образец, чтобы дать легко читаемый положительный или отрицательный результат. Когда тест обнаруживает загрязнитель, превышающий стандарты Агентства по охране окружающей среды США (EPA), он светится зелёным.

Разработанная исследователями Северо-Западного университета, система может обнаруживать 17 различных загрязнителей, включая токсичные металлы, такие как свинец и медь, фармацевтические препараты, косметику и чистящие средства. Платформа, основанная на бесклеточной синтетической биологии, настолько гибкая, что исследователи могут постоянно обновлять её для обнаружения большего числа загрязнителей.

"Современные тесты воды зависят от централизованной лаборатории с очень дорогим оборудованием, требующим экспертных знаний для работы, — сказал Джулиус Лакс, руководивший исследованием. — Отправка образца может стоить до $150 и занимать несколько недель для получения результатов. Мы предлагаем технологию, которая позволяет любому напрямую протестировать свою воду и узнать о загрязнении в течение минут. Она настолько проста в использовании, что мы можем передать её в руки тем, кто больше всего в ней нуждается".

Исследование будет опубликовано 6 июля в журнале Nature Biotechnology.

Молекулярные 'вкусовые рецепторы'

Основная проблема обеспечения качества воды в том, что люди обычно не могут видеть или чувствовать вкус загрязнителей. Платформа использует синтетическую биологию, чтобы обнаружить это незаметное загрязнение, заполняя пробелы там, где человеческие чувства бессильны.

В бесклеточной синтетической биологии исследователи извлекают молекулярные механизмы — включая ДНК, РНК и белки — из клеток, а затем перепрограммируют их для выполнения новых задач. Идея аналогична открытию капота автомобиля и извлечению двигателя, что позволяет использовать двигатель для разных целей, свободно от ограничений автомобиля. В данном случае команда использовала молекулярные механизмы бактериальных клеток.

"Природа уже решила эту проблему, — сказал Халид Алам. — Биология потратила более трёх миллиардов лет на эволюцию элегантного решения для обнаружения загрязнителей".

Эти перепрограммированные "вкусовые рецепторы" лиофилизируют для стабильного хранения и помещают в пробирки. Добавление капли воды в пробирку и её встряхивание запускает химическую реакцию, которая заставляет лиофилизированную таблетку светиться в присутствии загрязнителя.

Вдохновение женщинами в науке

Лакс и его команда называют эту тестовую платформу "РНК-выходные сенсоры, активируемые индукцией лиганда" (RNA output sensors activated by ligand induction). Команда дала ей короткое прозвище ROSALIND в честь знаменитого химика Розалинд Франклин, открывшей двойную спираль ДНК.

ROSALIND в Парадайзе

Для полевых испытаний новой платформы команда посетила город Парадайз в Калифорнии в конце прошлого года, через год после разрушительных лесных пожаров.

"Лесные пожары, по сути, расплавили город, — сказал Лакс. — Они сожгли здания и расплавили автомобили, что привело к выбросу токсичных металлов в окружающую среду".

Исследователи протестировали ROSALIND параллельно с "золотым стандартом" тестов воды и обнаружили, что ROSALIND способна идентифицировать наличие повышенного уровня токсичных металлов в водоснабжении. Результаты были получены гораздо быстрее и дешевле.

Сложности домашнего тестирования

Стихийные бедствия — не единственная причина небезопасной воды. Тяжёлые металлы, такие как медь и свинец, могут выщелачиваться из труб, загрязняя водопроводную воду. Средства личной гигиены, фармацевтические препараты и сельскохозяйственные гербициды также попадают в водные пути.

При тестировании воды в собственном доме в Эванстоне, штат Иллинойс, Лакс и его жена столкнулись с трудностями. Проверка уровня меди обошлась в $150 и заняла месяц.

"Это разовый тест, — отметил Лакс. — Он не позволяет проверять уровни из разных кранов в доме или проводить временной мониторинг".

Тестирование на свинец также было сложным и дорогим. А тестов для потребителей на другие загрязнители, такие как антибиотики, просто не существует.

"Чтобы обеспечить доступ к безопасной и чистой питьевой воде, нам нужны технологии, которые позволят легко контролировать её качество, — заключил Лакс. — С помощью простого, удобного портативного устройства, такого как ROSALIND, вы можете проверить воду у себя дома или в полевых условиях — там, где это наиболее необходимо".