几分钟“尝”出17种水污染物 这种检测平台的“味蕾”竟来自细菌

检测水质也能像妊娠检测一样快速、便捷、准确?日前,一项由美国西北大学的研究人员领导开发的新技术成果发表在《自然·生物技术》上,这项技术通过一个手持式平台,只需几分钟,就可以检测水质中包括有毒金属、药品、化妆品和清洁洗涤品等在内的17种不同污染物。当检测到污染物超过美国环保署(EPA)公布的标准时,它就会发出绿光。

但无细胞基因表达的转化潜力却受到多种限制,包括蛋白质合成产量低且可变,反应持续时间短和反应规模小。然而,在过去的20年中,合成生物学研究人员逐渐摆脱了无细胞基因表达潜力的束缚,实验室中的研究有了新突破,带来了更高效率和更大应用范围。除了使用微生物,也开始用植物、哺乳动物的细胞做培养细胞,还开发了很多真核细胞的系统。与此同时,蛋白质合成量随着制备工艺的发展,也越来越大。

另外,香港法例《预防及控制疾病(披露资料)规例》(第599D章)、《外国地区到港人士强制检疫规例》(第599E章)、《预防及控制疾病(规定及指示)(业务及处所)规例》(第599F章)及《预防及控制疾病(禁止群组聚集)规例》(第599G章)有效期均延长至12月31日。陈肇始指出,虽然这些规管餐饮业及指定处所的规例有效期延长,但特区政府也会因应疫情变化不断调节。

天津大学化工学院教授齐浩介绍,这项看似便捷、简单的新技术,背后离不开人类改造自然能力的巨大提升。这项新技术依托无细胞合成生物学技术,通过工程化设计,操控超过百种生物分子,让它们协同工作,最终实现污水监测的目的。

她还宣布,从高风险地区抵港人士如当日登上从香港以外到达香港的飞机,或在该日之前的14日内曾身处任何指明地区,包括孟加拉国、印度、印度尼西亚、尼泊尔、哈萨克斯坦、巴基斯坦、菲律宾、南非及美国,相关人士必须提供72小时内的新冠病毒阴性核酸检验结果及在香港预订的酒店房间确认书,且租住时间不少于14天。有关指明将于7月29日起生效。

“这项技术主要是利用了无细胞合成生物学。合成生物学技术主要还是以细胞为底盘进行工程化设计。但是对细胞进行工程化设计是费时和困难的。”齐浩介绍,由于活细胞生命系统的复杂性、基因元件难以标准化、细胞膜的阻碍等,细胞的生长及适应性过程通常与工程设计目标不一致,生产出大量无效产物,大大限制了对生物组件的改造。

英飞凌CEO Reinhard Ploss指出,其核心知识产权在德国、澳大利亚等国家和地区注册,这确保了其对相应技术100%的可控。言下之意,其大多数产品不会因为美国制裁而在中国受限。

“除此之外,无细胞合成技术在工程设计方面更容易实现,通过把生命物质剥离纯化,可以生成生化试剂。没有细胞的束缚,这些试剂与现有自动化设备更容易匹配,因此也更容易在实验室中形成规模化生产。”齐浩举例说,比如通过合成生物技术合成蛋白需要两三天时间,用无细胞技术,可能一两个小时就能完成,可更好地控制蛋白的产量,实现标准化。

发展迅猛,研究领域非常广泛

“无细胞合成生物学是更加微观的技术,进入了细胞的内部,在分子层面进行工程改造,来达成我们设定的目的。”齐浩介绍,这个改造工程是个庞大的体系,像这个污染物监测技术,就是通过高灵敏性RNA聚合酶、变构蛋白转录因子和合成的DNA转录模板相结合,可调节荧光激活RNA适配体的合成,使污染物的存在诱导这种适配体的转录,从而导致荧光信号产生。

破碎细胞膜,设计细胞更方便

Ploss认为,中国对本土半导体技术的推进正在提速,不过,英飞凌仍旧期待在中国业务的健康和长期发展,并做好了应对更大竞争的准备。

陈肇始还指出,目前实施的香港法例《若干到港人士强制检疫规例》(第599C章)有效期延长至9月7日。该规例规定,从内地、澳门或台湾到达香港的人士,以及在到港当日之前的14日期间曾在内地、澳门或台湾逗留的人士,须自到港当日起接受为期14天的强制检疫。

陈肇始说,香港疫情正处于最严峻的时刻,强烈呼吁所有市民尽量留在家中,避免不必要的外出。特区政府会继续密切留意疫情,并已在过去两周收紧了一些防疫措施。如果确诊个案持续上升,亦不排除要采取更严厉的防疫举措。(完)

“无细胞合成生物的研究领域非常广,无细胞的蛋白表达系统是其主要的研究方向之一。”齐浩介绍,此次污染物监测就利用了这个系统,从大肠杆菌中取出小分子水平的“味蕾”部分,设计成针对某种蛋白的表达系统。同时显现出的绿色荧光,也是通过表达一种荧光蛋白实现的。

“利用无细胞合成生物技术合成氨基酸,还可以更好地拓展蛋白的功能。比如有些酶,我们把人工合成氨基酸放到酶的核心处之后,酶的活性会提高上百倍上千倍。”齐浩接着说,利用DNA折纸技术,可以制作类似生物分子机器人,这些纳米级的机器人可以对另外一些分子进行可控的操作。比如把DNA折成一个盒子,把抗癌的药物放到盒子中,当盒子遇到癌细胞,就会释放抗癌药物。这些都拓展了人类对自然的干预范围。

目前,英飞凌在上海、无锡、深圳、北京四地设有办公室。

英飞凌是全球半导体巨头之一,尤其是在汽车、充电和安全芯片领域,今年4月,公司斥资90亿美元收购了美国半导体公司Cypress。

“我们要想用人工的设计,实现更多的人工目的,就要打破细胞的束缚。无细胞合成生物学就是利用细胞资源,破碎细胞膜,从细胞中取出包括DNA、RNA和蛋白质在内的分子元件,然后重新编程,以执行新的任务。也就是在体外开放体系中,实现基因转录、蛋白质翻译和代谢过程。”齐浩解释,细胞就像一台电脑,电脑中的主板、声卡、显卡等元件各有各的用处。我们在了解了每个元件的用途后,把电脑拆开,把各个原件分解出来,可以按照我们自己的目的运用各个元件的功能,加工改造生产出更多的产品。

“利用类似技术,实现了高灵敏度的病毒检测,比核酸检测更灵敏,区分精准度更高,曾经被制成检测寨卡病毒的检测试剂。其实蛋白药、疫苗、检测抗体都是基于蛋白的药物,都可以应用无细胞合成生物的蛋白表达系统生成。”齐浩表示,这些目前算是比较前沿的技术,但还都在转化的过程中。

“当人们能把细胞里各种分子机器运用自如时,就已经比只能利用整个细胞的技术前进了一大步。”齐浩介绍,其实早在20世纪50年代,科研人员就已经发现细胞合成蛋白的核心机制,并且发现把细胞膜破碎掉以后,得到的细胞质也具有蛋白合成的能力。从此以后,研究人员开始展开蛋白合成的研究,确立了制备方式、实验的基本步骤。

7月21日,土耳其航空公司复飞伊斯坦布尔至广州航班。提醒滞留在土耳其的中国公民合理安排行程,避免造成不便和损失。

“此外,无细胞合成生物技术还有一个重要的研究领域,就是超越自然界,创造自然界没有的东西。”齐浩解释说,我们知道,蛋白质是由20种天然的氨基酸合成的,而无细胞合成生物技术可以人工合成新的氨基酸。比如基因折纸的技术,通过人工设计DNA上的分子序列,把DNA折成字母、二维、三维等任意结构。这种折纸技术在细胞内无法实现,而应用了无细胞合成生物技术,就能造出自然界从来没有的物质。

“人类要想更好地运用控制这项技术,就要更深入了解细胞中每个分子的特性。虽然无细胞合成生物技术在实验室中被广泛研究,但离真正应用于百姓生活中还有一段路要走。”齐浩预测,未来无细胞合成生物技术可能会最先应用到医药研发领域,检测类产品可能会更快地进行技术转化。

当日,陈肇始与特区政府食物及卫生局副秘书长(卫生)陈伟基在香港会见传媒。

“虽然无细胞合成生物技术近些年的发展突飞猛进,而且应用前景广阔,但是在此次美国西北大学发布的这个污染物监测的项目之前,它更多是作为科研的手段和工具。”齐浩介绍,实验室、制药公司会用无细胞合成生物技术合成蛋白表达工具,快速简便。因为在此技术之前,要得到一种蛋白,需要分离纯化,需要花费很长时间。而应用这项技术,可以在很短的周期内,得到科研人员想要研究的蛋白,因此常常被作为生物药物筛选研发技术。

“这个检测污染物的‘试纸’很有意思,看似和‘验孕棒’的使用方法一样,其实它完全超越了传统试纸的生化体系,制备方法比传统试纸复杂得多。”齐浩解释说,研究团队使用了来自细菌细胞的分子机器,他们将细菌用于品尝水中小分子的“味蕾”从细胞中取出,然后将它们设计重组。这些经过重新编程的“味蕾”在冷冻干燥后,变得耐储藏,可以做成“试纸”方便使用。

“还可以用上千条不同序列的DNA组成各种不同的纳米结构,这也属于无细胞合成生物技术领域;在代谢工程中,通过无细胞合成生物技术,可以把各种代谢酶纯化出来,放在一个系统里,通过不同的生化反应环境,让这些蛋白协同合作,完成一个复杂的化学物质的代谢过程。”齐浩介绍。

陈肇始表示,考虑到最新的公共卫生风险评估,特别是近期香港的个案有涉及参与不戴口罩的活动,带来的风险相当高,因此现在需要采取更严厉的防疫措施,包括要求在室内公众场所、公共交通总站及换乘处需要一直佩戴口罩。

前景广阔,但离真正应用还有距离

她表示,特区行政长官已召开特别行政会议,同意修订香港法例《预防及控制疾病(佩戴口罩)规例》(第599I章)。这项佩戴口罩要求是措施的首阶段,有关指明将由7月23日起生效,为期14日至8月5日。