تشخیص آلودگی آب: کامپیوتر DNA می تواند به شما بگوید که آیا آب آشامیدنی شما آلوده است یا خیر

یک آزمایش ساده آلودگی آب که شامل رشته های مهندسی شده DNA است که می تواند سطوح آلودگی را گزارش کند و این سیستم بیولوژیکی می تواند عملیات منطقی مانند آنچه توسط کامپیوتر انجام می شود انجام دهد.

توسط متیو اسپارکس

یک کامپیوتر بیولوژیکی کنترل شده با DNA روشی ارزان و ساده برای آزمایش غلظت آلاینده ها در آب آشامیدنی ارائه می دهد. آزمایش ها نشان می دهد که فرآیندهای منطقی وام گرفته شده از علوم کامپیوتر را می توان در DNA مهندسی کرد تا کامپیوترهای بیولوژیکی آینده در تشخیص آلاینده ها قدرتمندتر شوند.

جولیوس لوکس از دانشگاه نورث وسترن در ایلینوی و همکارانش در سال 2020 یک حسگر زیستی ساختند که می تواند آلاینده ها را در یک قطره آب تشخیص دهد. حاوی پروتئین هایی است که با تولید مولکول های فلورسنت به حضور برخی مواد شیمیایی واکنش نشان می دهند. این واکنش به آسانی به عنوان هشداری عمل می کند که نمونه ای از آب با این مواد شیمیایی آلوده شده است.

واکنش های مورد بحث از مکانیسم هایی الهام گرفته شد که به طور طبیعی در باکتری ها ایجاد شد. به گفته لاکس، دانشمندان ابتدا سعی کردند باکتری ها را مهندسی کنند تا آزمایش ها را انجام دهند، اما زنده نگه داشتن آنها و جلوگیری از انتشار آنها در محیط کار دشواری بوده است. این منجر به تحقیق در یک نسخه بیولوژیکی مصنوعی و بدون سلول شد، که در آن مکانیسم‌های مبتنی بر پروتئین از باکتری‌ها حذف می‌شوند و به صورت جداگانه استفاده می‌شوند.

لاکس می‌گوید: «در زیست‌شناسی مصنوعی، ما سعی می‌کنیم آن ماشین‌های مولکولی را که سموم را شناسایی می‌کنند و دوباره مهندسی می‌کنند، تغییر دهیم تا همانطور که می‌خواهیم کار کنند، و شاید آنها را دوباره سیم‌کشی کنیم تا بتوانند کارهای مختلف انجام دهند. “شما واقعاً نمی خواهید یک میکروب مهندسی شده را در آبی که می خواهید اندازه گیری کنید رها کنید.”

اکنون، این تیم نسخه پیشرفته‌تری از این سیستم را ایجاد کرده است که نه تنها می‌تواند در مورد وجود مواد شیمیایی خطرناک هشدار دهد، بلکه می‌تواند مقادیر موجود را نیز گزارش دهد تا گام‌های متناسب برداشته شود.

این سیستم که ROSALIND 2.0 نام دارد شامل هشت لوله آزمایش کوچک است که هر کدام حاوی یک حسگر زیستی با حساسیت های متفاوت به آلاینده ها است. اگر فقط یک لوله می درخشد، نمونه آب ممکن است فقط سطوح آلودگی را ردیابی کند. اما با درخشش لوله های بیشتر، آب به طور فزاینده ای آلوده می شود.

لاکس می‌گوید این آزمایش با استفاده از رشته‌های «فریبنده» DNA کار می‌کند. آنها به گونه ای طراحی شده اند که در واکنش با آلاینده به یک محصول میانی اصلی متصل شوند و از تولید محصول فلورسنت نهایی جلوگیری کنند.

هر لوله حاوی مقادیر بیشتری از این DNA است. از آنجایی که مرحله نهایی فلورسنت واکنش تنها پس از استفاده از DNA طعمه انجام می شود، به این معنی است که یک لوله با مقدار کمی DNA طعمه ممکن است در حضور آلاینده فلورسانس شود، اما لوله ای با مقدار بالایی از این DNA ممکن است فلورسانس نیست اندازه‌گیری سطح آلاینده‌ها به سادگی با نگاه کردن به محل توقف واکنش فلورسنت در طول ردیف هشت لوله امکان‌پذیر است.

Laks و تیم او نشان دادند که ROSALIND 2.0 می تواند روی، یک آنتی بیوتیک و یک متابولیت مصنوعی را با موفقیت شناسایی کند.

سنجش‌های بدون سلول را نیز می‌توان برای نگهداری و حمل و نقل آسان خشک کرد، سپس در صورت نیاز به سادگی با انداختن نمونه‌ای از آب در هر لوله آزمایش فعال می‌شوند.

تعیین غلظت یک آلاینده به تصمیم گیری در مورد اقدام درمانی لازم کمک می کند. برای مثال، اگر مقدار کمی سرب در منبع آب آشامیدنی خود دارید، ممکن است فقط لازم باشد لوله های آب خود را قبل از استفاده بشویید. اما اگر سطوح بالایی دارید، ممکن است لازم باشد فوراً نوشیدن آب را قطع کنید.

لاکس می گوید: «همه باید این وسایل را داشته باشند. باید بدانید که آب شما برای نوشیدن بی خطر است.

با توجه به اینکه فناوری ارزیابی کیفیت آب فعلی می تواند گران باشد، او امیدوار است که ROSALIND 2.0 به این امر کمک کند. او می‌گوید: «ما سعی می‌کنیم ساده‌ترین و قدرتمندترین چیزی را که می‌توانید تصور کنید، بسازیم، بنابراین امیدواریم که بی‌خطا باشد».

لاکس و تیم او همچنین نشان دادند که DNA مهندسی شده را می توان برای انجام عملیات منطقی، مانند آنچه در رایانه ها یافت می شود، استفاده کرد. مانند ROSALIND 2.0 نمی توان تنها با حضور یک ماده واکنش نشان داد، اما آنها بر این باورند که تنها زمانی می توان واکنش نشان داد که دو ماده شیمیایی خاص یا زمانی که هیچ کدام یافت نشد. این راه را برای تجزیه و تحلیل بسیار پیچیده‌تر هموار می‌کند تا در تست‌های به همان اندازه قدرتمند و آسان برای استفاده گنجانده شود.

مرجع مجله: زیست شناسی طبیعت شیمیاییDOI: 10.1038/s41589-021-00962-9