DNA计算机评估水质

例如，在基于dna的电路中，研究人员将无细胞分子设计成模数转换器(ADC)，这是几乎所有电子设备中普遍存在的电路类型。在水质装置中，ADC电路处理模拟输入(污染物)并生成数字输出(通知用户的视觉信号)。

该设备配备了一系列8个小试管，当检测到污染物时，它会发出绿光。发光管的数量取决于污染物的含量。如果只有一根管子发光，那么水样就有痕量的污染。但如果8根管子都发光，那么水就被严重污染了。换句话说，污染浓度越高，信号越强。

麦考密克工程学院(McCormick School of Engineering)的朱利叶斯·b·勒克斯(Julius B. Lucks)是这项研究的负责人，他说:“我们给每个管子设定了不同的污染阈值。”“阈值最低的灯管会一直亮着。如果所有的灯管都亮了，那就有大问题了。构建电路和可编程DNA计算为其他类型的智能诊断开辟了许多可能性。”

拉克斯是西北大学工程学院的化学和生物工程教授，也是美国生物工程学会的成员合成生物学中心．该论文的合著者包括来自西北大学的Jaeyoung Jung、chloe Archuleta和Khalid Alam。

罗莎琳德见面

新系统建立在拉克斯和他的团队的工作基础上发表在自然生物技术2020年7月．在这项工作中，研究小组引入了ROSALIND(以著名化学家罗莎琳德·富兰克林的名字命名，是“由配体诱导激活的RNA输出传感器”的缩写)，它可以在一滴水中感知17种不同的污染物。当检测到超过美国环境保护署标准的污染物时，它要么发出绿色光，要么不发出绿色光，给出一个简单、易于阅读的阳性或阴性结果。

为了开发ROSALIND, Lucks和他的团队采用了无细胞合成生物学。在合成生物学中，研究人员将分子机制——包括DNA、RNA和蛋白质——从细胞中取出，然后对这些机制进行重新编程，以执行新的任务。当时，拉克斯把罗莎琳德的内部运作比作“分子味蕾”。

他说:“我们发现了细菌如何自然地品尝水中的东西。”“它们用小分子水平的‘味蕾’来做到这一点。“无细胞合成生物学使我们能够将这些小分子味蕾取出，并将它们放入试管中。然后我们可以“重新连接”它们以产生视觉信号。它会发光，让用户快速方便地看到水中是否有污染物。”

分子的智力

现在，在被称为ROSALIND 2.0的新版本中，拉克斯和他的团队添加了一个“分子大脑”。

“最初的平台是一个生物传感器，就像味蕾一样，”拉克斯说。“现在我们已经添加了一个像大脑一样工作的基因网络。生物传感器检测污染，然后将生物传感器的输出输入遗传网络或电路，遗传网络或电路像大脑一样工作，执行逻辑。”

研究人员将重新编程的“分子大脑”冷冻干燥，使其具有货架稳定性，并将其放入试管中。在每个试管中加入一滴水，就会引发一系列反应和相互作用，最终使冷冻干燥的颗粒在污染物存在的情况下发光。

为了测试这个新系统，勒克斯和他的团队证明了它可以成功地检测锌、抗生素和工业代谢物的浓度水平。Lucks说，给出污染水平——而不是简单的阳性或阴性结果——对于告知缓解策略很重要。

“在我们推出ROSALIND后，人们说他们想要一个也能给出浓度的平台，”他说。“不同程度的污染物需要不同的策略。例如，如果你的水含铅量很低，那么你可以通过在使用水管之前冲洗水管来忍受它。但如果你体内的汞含量很高，那么你需要立即停止喝水，并更换水管。”

授权人

最终，拉克斯和他的团队希望让个人能够定期测试自己的水。有了像ROSALIND这样便宜的手持设备，这可能很快就会成为现实。

拉克斯说:“很明显，我们需要让有信息的人做出重要的、有时是挽救生命的决定。”“我们通过COVID-19的家庭检测看到了这一点。人们需要在家检查，因为他们需要快速、定期地获得这些信息。水也是一样。在许多情况下，水质需要定期测量。这不是一次性的事情，因为污染水平会随着时间的推移而改变。”

这项研究“用DNA链位移电路编程无细胞生物传感器”，得到了美国国防部、国家科学基金会、犹太和以色列研究皇冠家庭中心以及芝加哥社区信托基金会塞尔基金的支持。

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