Инженеры из Северо-Западного университета разработали недорогое, простое в использовании портативное устройство, которое может в течение нескольких минут определить, пригодна ли вода для питья. Оно использует мощные программируемые генетические сети, которые имитируют электронные схемы, для выполнения целого ряда логических функций. Так, например, на основе ДНК исследователи собрали бесклеточные молекулы в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – схему, встречающуюся почти во всех электронных устройствах. В устройстве контроля качества воды АЦП анализирует аналоговый вход (загрязняющие вещества) и генерирует цифровой выход (визуальный сигнал для информирования пользователя).
Устройство оснащено восемью небольшими пробирками, которые светятся зеленым цветом при обнаружении загрязняющего вещества. Количество горящих зеленым пробирок зависит от того, как много в образце вредных примесей. Если светится только одна пробирка, значит, проба воды чистая или имеет следы загрязнения, а если все восемь – вода сильно загрязнена. Исследователи запрограммировали каждую пробирку на разный порог загрязнения, одна – с самым низким порогом – светится постоянно.
ROSALIND
Новая система основана на работе, которую авторы опубликовали в журнале Nature Biotechnology в июле 2020 года. В ней они сообщили о ROSALIND (названную в честь знаменитого химика Розалинд Франклин и сокращенную от RNA output sensors activated by ligand induction – датчики вывода РНК, активированных индукцией лиганда). ROSALIND способна улавливать 17 различных загрязняющих веществ в одной капле воды. Если тест обнаруживал загрязнитель, превышающий норму, он светился зеленым, давая простой, легко читаемый результат.
Чтобы усовершенствовать ROSALIND, группа использовала принципы неклеточной синтетической биологии. Исследователи извлекали молекулярные механизмы, включая ДНК, РНК и белки, из клеток, а затем перестраивали их для выполнения новых задач.
Они выяснили, как бактерии естественным образом ощущают «вкус» молекул в своей среде – это происходит благодаря так называемым «вкусовым рецепторам» молекулярного уровня. Бесклеточная синтетическая биология позволила удалить эти рецепторы из клеток и поместить их в пробирку. Затем им придали способность светиться при контакте с определенными веществами.
Молекулярный мозг
Итак, в новую версию, получившую название ROSALIND 2.0, исследователи добавили «молекулярный мозг» – генетическую сеть, которая позволяет выполнять вычисления с помощью программируемых взаимодействий между цепями нуклеиновых кислот.
Исследователи сублимировали этот «мозг», чтобы он стал устойчивым к хранению, и поместили в пробирки. Добавление капли воды в каждую пробирку запускает сеть реакций и взаимодействий, в конечном счете заставляя сублимированные гранулы светиться в присутствии загрязняющего вещества.
Исследователи продемонстрировали, что ROSALIND 2.0 может успешно определять концентрации цинка, антибиотика и промышленного метаболита, а не просто давать положительный или отрицательный результат, что очень важно.
Конечной целью разработчиков является возможность для обычных пользователей регулярно тестировать воду у себя дома.
Статья J.K.Jung et al. Programming cell-free biosensors with DNA strand displacement circuits опубликована в журнале Nature Chemical Biology.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» vechnayamolodost.ru по материалам Northwestern University: New DNA Computer Assesses Water Quality.
