研究人员通过新的简单变色测试检测水中的氟化物

氟化物、铅和杀虫剂等环境污染物无处不在，甚至存在于我们体内。虽然研究人员有简单的方法来测量实验室环境中此类污染物的浓度，但在现场测试浓度要困难得多。那是因为它们需要昂贵的专用设备。

最近在合成生物学方面的努力已经利用细胞生物传感器以具有成本效益和可现场部署的方式检测和报告环境污染物。即使正在取得进展，科学家们仍在努力回答如何保护传感器组件免受提取样品中天然存在的物质影响的问题。

西北大学的一个跨学科合成生物学家团队正在开发一个传感器平台，该平台将能够检测现实世界样本中的一系列环境和生物目标。使用已建立的核糖开关构建氟化物生物传感器，该团队发现他们既可以保护传感器，又可以通过将传感器封装在脂肪膜内以类似于细胞的方式运行。

在《科学进展》杂志上发表的一篇新论文中，研究人员证明，通过改变脂质双层膜的组成和渗透性，他们可以进一步调整和控制传感器的性能。

“正在生成如此多的数据，其中很多是由智能手表等健康应用程序驱动的，”共同通讯作者、西北大学麦考密克工程学院化学与生物工程教授朱利叶斯·卢克斯说。“我们可以感觉到我们的心跳，我们的体温，但如果你仔细想想，我们真的没有办法去感受化学的东西。我们生活在一个信息时代，但我们所拥有的信息是如此微不足道——化学传感打开了巨大的维度您可以利用的信息。”

Lucks还是化学和生物工程系的副系主任。他的实验室通过研究RNA及其在细胞中的作用，提高了该领域对响应环境变化的分子系统的理解;细胞如何使用RNA来感知环境的变化;以及如何在无细胞系统中使用这些概念来监测环境的健康和可持续性。

无细胞合成生物学，其中工程生物分子系统被用来激活生物机器而不是活细胞，由于它高效、通用和低成本而引人注目。Lucks设计了一种核糖开关传感器，使用细菌细胞提取物为基因表达反应(包括荧光RNA或响应污染物而发光的蛋白质)提供动力，从而在几分钟内廉价地产生视觉输出。

McCormick的生物医学工程助理教授和共同通讯作者NehaKamat最初是在他们的教师培训会上认识Lucks的，并对他扩大信息获取渠道的愿望很感兴趣。Kamat的专长是工程膜和膜组装，她想知道她是否可以使用囊泡(一种两层膜)来改进Lucks的试管系统。

“他们正在使用RNA及其相关机器来检测真实水样中的分子并产生有意义的输出，”Kamat说。“我的实验室对通常用于封装mRNA以进行药物输送的脂质进行了大量研究，目的是利用这些隔间来构建更多类似细胞的结构。我们的想法是，我们可以保护Julius的开关并允许它们在样本中工作这可能会被其他污染物弄脏，比如电池罐。”

其他研究人员曾尝试将传感器放置在膜内，但开关无法正常工作并产生小得多的信号，因为很难将所有东西都装入小容器中，然后再按比例放大。为了克服这个问题，该团队修改了传感器中的遗传输出以对其进行放大和着色，因此它可以被肉眼看到并且“你不需要花哨的检测器来做到这一点，”Lucks说。

封装和保护对于传感器来说很重要，这样才能使其在自然环境中发挥作用，例如带有许多其他污染物的废水通道会腐蚀开关。这将是“分布式传感”的一个例子，它可以在从农业到人类健康的各个领域提供帮助。

当他们通过向CLP的顾问委员会推销他们的“潜在破坏性”想法而获得西北大学生命过程化学研究所(CLP)Cornew创新奖时，该小组更加正式地聚集在一起。

Lucks称该项目为“起点”，从中他们将能够将传感器嵌入到更多材料中，包括可以改变特性的“智能”材料，就像在生物学中一样。

“作为合成生物学家，我们的主要主题之一是识别挑战并关注自然，”勒克斯说。“它已经在做什么了?我们能否以此为基础，让它做更多的事情来满足我们的需求?”

氟化物成为一个显而易见的选择，因为有一种天然的RNA分子可以感知它，从而使团队能够设计出一种更简单的机制。但在未来，Kamat和Lucks对传感器的使用范围可以扩大抱有很大的抱负。

例如，传感器可以流过人体以检测小分子和生物标志物，然后再通过尿液或其他被动方法回收传感器。它还可以检测土壤中的硝酸盐含量并帮助监测径流。除此之外，Lucks和Kamat很高兴看到材料科学在软体机器人等领域的应用，他们正在考虑如何制造类似于蝴蝶的东西，这种东西可以通过脚来闻味。