تشخیص آلودگی آب با ادغام زیست‌شناسی مصنوعی و نانو
دانشمندان دانشگاه نورث‌وسترن موفق به توسعه ابزاری فوق‌العاده حساس برای شناسایی آلودگی آب شده‌اند که ترکیبی از زیست‌شناسی مصنوعی و فناوری نانو را به کار می‌گیرد. این فناوری قادر است فلزات سنگین مانند سرب و کادمیوم را در غلظت‌های بسیار پایین و در عرض چند دقیقه تشخیص دهد.
به گزارش ماد از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، پلتفرمی که تقریباً ۲۰ سال پیش برای بررسی تعامل پروتئین‌ها با DNA و آزمایش دقیق COVID-۱۹ طراحی شده بود، اکنون برای توسعه یک ابزار تشخیص آلودگی آب مورد استفاده قرار گرفته است. این فناوری نوین با ترکیب دو حوزه پیشرفته، یعنی زیست‌شناسی مصنوعی و فناوری نانو، روشی کاملاً جدید برای نظارت بر آلاینده‌های شیمیایی ارائه می‌دهد.
این روش به گونه‌ای تنظیم شده است که می‌تواند فلزات سنگین مانند سرب و کادمیوم را در غلظت‌های بسیار ناچیز، به ترتیب دو و یک قسمت در میلیارد، شناسایی کند. این دقت بی‌سابقه، آزمایش آب را به سطحی کاملاً جدید ارتقا می‌دهد و می‌تواند نقش مهمی در تضمین کیفیت آب آشامیدنی ایفا کند.
این آزمایش با استفاده از میکروکانتالیور نانومکانیکی که از جنس سیلیکون ساخته شده‌اند و به‌راحتی قابل تولید انبوه هستند، انجام می‌شود. زمانی که سطح این میکروکانتالیور با مولکول‌های خاصی از DNA پوشانده شود، مولکول‌های زیست‌حسگری موسوم به فاکتورهای رونویسی به DNA متصل شده و باعث خم شدن میکروکانتالیور می‌شوند.
هنگامی که این حسگرها در معرض آلاینده‌های شیمیایی قرار می‌گیرند، فاکتورهای رونویسی از DNA جدا شده و باعث برگشت ریزپرتو به حالت اولیه خود می‌شوند. این تغییرات بسیار ریز و میکروسکوپی را می‌توان با دقت بالا اندازه‌گیری کرد تا حضور آلاینده‌های خاص در آب تشخیص داده شود.
این فناوری پیشرفته با دستاوردهای جولیوس لاکس زیست‌شناس مصنوعی دانشگاه نورث‌وسترن، ترکیب شده است. وی نوعی حسگر زیستی سلول آزاد (Cell-free biosensor) به نام ROSALIND (مخفف “RNA Output Sensors Activated by Ligand Induction”) توسعه داده است.
اولین مدل این حسگر می‌توانست با استفاده از تنها یک قطره آب، ۱۷ آلاینده مختلف را شناسایی کند. در صورت فراتر رفتن غلظت آلاینده‌ها از حد استاندارد تعیین‌شده توسط آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده (EPA)، حسگر به رنگ سبز درمی‌آمد.
فناوری ROSALIND نیز از همان فاکتورهای رونویسی استفاده می‌کند که در واکنش‌های زیستی سلول-آزاد به‌کار گرفته شده‌اند. این فاکتورها با اتصال و جداسازی از DNA، امکان کنترل بیان ژنی را فراهم می‌کنند.
در طول همه‌گیری کرونا، لاکس مشاهده کرد که فناوری میکروکانتالیور نانومکانیکی برای شناسایی ویروس SARS-CoV-۲ با دقت بالا مورد استفاده قرار گرفته است. این موضوع او را بر آن داشت تا این میکروکانتالیور را با DNA مهندسی‌شده در آزمایشگاه خود ترکیب کند تا بتواند وجود آلاینده‌های شیمیایی را در آب تشخیص دهد.
نتیجه این همکاری، توسعه آزمایشی فوق حساس برای شناسایی آلاینده‌های آب بود که توسط دکتر وینایک پی. دراوید و گاویندرا شکاوات، به همراه نویسنده اول پژوهش دیلیپ آگاروال و دانشجوی کارشناسی ارشد تایلر لوچی انجام شد.
برای اثبات کارایی این فناوری، تاین یم تحقیقاتی ابتدا آزمایش خود را روی تتراسایکلین انجام دادند. این آنتی‌بیوتیک به دلیل استفاده گسترده در زیست‌شناسی مصنوعی، اطلاعات زیادی درباره رفتار آن در محیط‌های مختلف موجود است. سپس، این حسگر برای شناسایی سرب و کادمیوم در غلظت‌های کمتر از چند قسمت در میلیارد مورد استفاده قرار گرفتند که رکوردی جدید در دقت فناوری‌های زیست‌حسگری به شمار می‌آید.
گام بعدی این تیم تحقیقاتی، ساده‌سازی فرآیند آزمایش است. در حال حاضر، مشاهده و اندازه‌گیری حرکات میکروسکوپی این حسگرها نیاز به تجهیزات خاصی دارد. اما دانشمندان امیدوارند که در آینده بتوانند این فناوری را برای استفاده عمومی و نظارت بر کیفیت آب آشامیدنی گسترش دهند.
به علاوه، محققان بر این باورند که این سیستم را می‌توان برای نظارت بر سموم در بدن انسان و کاربردهای محیط‌زیستی گسترده‌تر نیز به‌کار گرفت. این فناوری می‌تواند استانداردهای ایمنی آب آشامیدنی را افزایش داده و نقش مهمی در پیشگیری از آلودگی‌های محیطی ایفا کند.
