水中有害污染物的檢測，說難好像也不難，例如某A字開頭的儀器公司發過論文稱其GC/MS/MS系統一針進樣可以分析樣品中的865種農殘和環境污染物；另外也有報道稱國內的重點實驗室有能力監測200多種空氣、水質、土壤等環境污染物。但首先這里的前提條件是你得找到有這樣條件的實驗室，其次是你得付得起檢測的費用。但檢測價格往往不菲，還需要專業人員才現場采集樣品后，拿回實驗室進行處理分析，畢竟實驗室不僅僅單做你一個樣品，所以最后你可能得等上數周才能得到檢測結果。對于那些缺乏檢測設備的地區，水質檢測就更難了。
不過最近，美國西北大學的科研團隊的一項新技術也許能顛覆水質監測市場的格局。他們在今年7月的《自然-生物技術》（Nature Biotechnology）期刊上發表了一篇文章，題為《Cell-free biosensors for rapid detection of water contaminants》，介紹了他們研發的一款3D打印的手持式設備，只需要幾滴水樣，即可在幾分鐘時間內檢出水中的十幾種污染物，成本不過幾美分。這是什么黑科技？我們一起來看個究竟。
圖. 西北大學研發的水質監測新設備 | 圖源：YouTube截圖
傻瓜式操作
這篇文章的通訊作者Julius Lucks教授將這項技術類比驗孕棒，操作十分簡單：向每個管內加入水樣后，適當地快速抖幾下，蓋上瓶蓋，放回管槽，打開亮燈，就能知道結果。如下圖所示，有兩個管內裝有樣品，其中一個發光，說明樣品中含有污染物，如果發光程度高，則說明超出了環保署EPA的標準要求。
圖. 陽性陰性一清二楚 |圖源：YouTube截圖
有了這個檢測盒，大家都能成為檢測員，而且幾分鐘之內就能知道結果，例如可以讓使用者判斷某水源可否飲用。他們稱上面這個可以單手掌控的小盒子可以檢測17種不同的污染物，包括鉛和銅等有毒金屬、醫藥品(抗生素)、化妝品和清潔洗滌劑等。
當合成生物學遇上水質監測
一瓶無色的水樣不等于它就是干凈的。但你叫人去嘗味也是不可能的——因為一旦嘗到有毒有害物質，我們的身體是會有反應的，俗稱中毒。對于中毒者我們當然深表遺憾，但有科學家會提問：我們的細胞是怎么判斷“待測物”是否有毒的呢？
研究團隊就從細菌細胞的運作機制中得到靈感，將細胞中的重要組成，包括DNA、RNA和蛋白等物質進行重新組合，成為一個無細胞的體外轉錄系統。如果沒搞懂他們在干啥？我們來打個比喻：想象一下你把一輛飛機的發動機拆了下來，然后把它用來干別的事情。這可不是瞎編，例如百度一下就能查到中兵集團用噴氣發動機改裝成機場的超級吹雪機的案例。同樣地，科學家對這些細胞內的部分模塊進行組裝之后，就能成為一個小巧的生物傳感器。
“大自然用30億年的時間進化出毒性檢測的方法，”文章共同一作的Khalid Alam介紹說，“我們發現細菌會有專門的分子來逐一‘嘗出’水中的物質。” 他們要做的就是用無細胞合成生物學技術，將這些特定分子以冷凍干燥(lyoprotection)的形式組裝到小管內，當遇到目標污染物的時候，就會發生化學反應，產生發光物質，這就能讓使用者快速知道水中是否含有特定污染物。
再專業點說，他們使用的分子是高效RNA聚合酶(RNAPs)、變構蛋白轉錄因子和合成DNA轉錄模板的組合。目標污染物的存在誘導RNA適配體的轉錄，并產生熒光信號。他們加入RNA反饋線路(feedback circuit)可以無需蛋白質工程(protein engineering)的情況下反轉響應，減少不同信號通路之間的交聯(crosstalk)，從而提高靈敏度。
Lucks教授的團隊將這套系統取名為ROSALIND，全稱為RNA Output Sensors Activated by Ligand Induction，中文直譯即為配體誘導激活的RNA輸出傳感器。為何如此起名？除了清晰描述運作機理外，還為了能夠拼出ROSALIND這個簡稱，以便向著名科學家Rosalind Franklin致敬。Rosalind Franklin是誰？對我們水圈的人可能有點陌生，但學生物的人應該都知道，她是DNA雙螺旋結構這一重大發現的重要貢獻者之一。當年是她用X射線測晶法得到DNA的第一張晶體衍射圖的，這被后人認為是解鎖DNA結構的關鍵線索。今年的7月25日正好是她誕辰100周年紀念日，所以團隊用這種方式致以紀念。
圖. RNA聚合酶、變構蛋白轉錄因子和合成DNA轉錄模板的組合 |圖源：Nature Biotechnology
圖. ROSALIND檢測系統原理|圖源：Nature Biotechnology
加州“天堂”的實測
光在實驗室得到數據是很難讓人信服的，所以研究團隊要去實地測試他們的設備。他們選擇了美國加州的天堂鎮作為測試地點。有留意新聞的朋友可能記得在2018年年底，加州北部的天堂鎮（Paradise）發生了歷史上極其恐怖的一次火災，大火過境之處，居民家園皆被夷為平地，摧毀建筑近1.9萬幢，該鎮許多居民因此流離失所。
除了財產受損，這些被毀壞的建筑、燒熔的汽車也將一些有毒金屬釋放到環境中，例如當地的水道。他們想驗證ROSALIND的檢測效果，因此他們還同時進行了常規的水樣采集和監測，以便進行比對。在這次實測中，他們使用了三種傳感器，包括鋅傳感器(SmtB)、銅傳感器(CsoR)和阻斷Cu-Zn信號交聯的Cu-NIMPLY-Zn傳感器。
如下圖所示，傳感器在伊利諾伊州制備好之后，在常溫環境下連夜運至加州的Chico。為了方便通過肉眼對取樣水進行對比，他們用實驗室級別的純水進行對照反應。
圖. 研究團隊在加州的四個采樣點 |圖源：Nature Biotechnology
結果顯示：采樣團隊到達加州后，在四個不同地點的水樣進行采集和過濾后，滴入傳感器的樣品管內，并在37°的溫度下孵化4小時。下圖是測試結果。他們對樣品放入ROSALIND熒光器兩小時和過夜一晚之后的情況進行拍照對比。然后樣品運回伊利諾伊州的實驗室用熒光讀板器進行量化測量。由于轉錄反應徹底完成，所以熒光信號可以保持穩定，運輸過程不會引起變化。
實驗室的火焰原子吸收光譜法分析結果顯示，四個采樣點中，有兩個只含有鋅，其他兩個包含鋅和銅。這和ROSALIND傳感器的顯示結果一致。
為了進一步考察ROSALIND對復雜基質的靈敏度，他們之后還對添加了銅的密歇根湖水樣和智利地表水(銅含量高)進行測試。測試結果，盡管有些熒光信號受到了抑制，但能夠指示環境水樣的污染物。在這次實測中，我們也看到冷凍干燥技術可以防止ROSALIND在運輸過程中失效，提高了存儲的便利性。
圖. 測試結果 |圖源：Nature Biotechnology
除了重金屬(例如鉛和銅)，防曬霜和乳液等個人護理品、抗生素藥品和農業除草劑等化學物質也會進入水環境，甚至滲入水管道、家里的水龍頭和學校的飲水機等地方。研究團隊認為他們的快速檢測平臺能為這些場景的水質監測提供快速準確的替代方案。
RNA檢測爆發元年
這個水質生物傳感器只是Lucks教授團隊近年的科研成果之一。Lucks教授的團隊近年一直進行RNA折疊形狀的相關研究，他們發現一系列RNA分子的折疊有相似性，背后可能有其對應的功能，他將這些RNA分子稱作核糖開關。
Lucks去年10月接受采訪時候還說 “隨著我們對RNA分子工作原理的加深，我們能更好地發揮它們的作用。我們希望它們能夠更快、更靈敏地為人類服務。我們仍在學習中，但我們離產品已經很接近了。”沒想到，不到一年的時間，他們就已經實實在在做出了檢測水污染物的生物傳感器原型。
這么看來，2020年可能會是RNA技術的爆發元年。除了這種基于RNA轉錄的傳感器，全球各大藥企爭相研發的新冠疫苗也是mRNA疫苗。雖然眾多水處理技術是基于生物技術發展而來，但做生物研究的人其實對水行業知之甚少。然而，隨著基因測序技術成本的降低和基因編輯技術的普及，水行業和生物行業的那堵無形的墻似乎已經慢慢消融。
有個大膽的猜想：在2030年之后，那些有錢的生物技術公司會不會開始收購污水廠作為它們的資產及數據庫？有心的讀者可以保留此文——如果10年后還有微信這玩意，我們一起回來打開這個時間膠囊，看看這個猜想有否成真。
圖. ROSALIND熒光器的解構 |圖源：Nature Biotechnology
參考資料
https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HJHX201606027.htm
http://news.ifeng.com/c/7faGPsXXmX4
https://news.northwestern.edu/stories/2020/06/pregnancy-test-for-water-delivers-fast-easy-results-on-water-quality/
https://www.youtube.com/watch?v=Zw-DKyIeP78&feature=youtu.be
https://www.nature.com/articles/s41587-020-0571-7#Fig1
https://www.nsf.gov/news/mmg/mmg_disp.jsp?med_id=186632&from=
https://www.mccormick.northwestern.edu/news/articles/2019/10/uncovering-the-principles-behind-rna-folding.html
https://luckslab.org/research/dynamic-rna-folding-and-function/
https://m.thepaper.cn/yidian_promDetail.jsp?contid=8162138&from=yidian