کامپیوتر DNA می‌تواند به شما بگوید که آیا آب آشامیدنی شما آلوده است یا خیر!

یک آزمایش ساده با استفاده از رشته‌های مهندسی‌شده DNA برای تشخیص آلودگی آب، توانایی این را دارد که سطوح آلودگی آن را گزارش کنند. این سیستم بیولوژیکی می‌تواند یک عملیات منطقی، مانند آنچه که توسط کامپیوترها انجام می‌شود را انجام دهد.

این کامپیوتر بیولوژیکی که توسط DNA کنترل می‌شود، روشی ارزان و ساده برای آزمایش غلظت آلایند‌ه‌‌ها در آب آشامیدنی است. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که عملیات منطقی وام گرفته‌شده از علوم رایانه را می‌توان در DNA مهندسی کرد تا رایانه‌های بیولوژیکی آینده، در تشخیص آلاینده‌ها بسیار قدرتمندتر شوند.

جولیوس لوکس از دانشگاه نورث وسترن در ایالت ایلینویز و همکارانش در سال 2020، یک حسگر زیستی ساختند که می‌تواند آلاینده‌ها را در حتی یک قطره آب تشخیص دهد. این حسگر زیستی حاوی پروتئین‌هایی است که با تولید مولکول‌های فلورسنت به حضور برخی مواد شیمیایی واکنش نشان می‌دهند. این واکنش به‌راحتی به‌عنوان یک هشدار عمل کرده و اعلام می‌کند که نمونه آب با مواد شیمیایی آلوده شده است.

واکنش‌های درگیر، از مکانیسم‌هایی الهام گرفته شده‌ که به‌طور طبیعی در باکتری‌ها تکامل یافته‌اند. لوکس می‌گوید دانشمندان در ابتدا سعی کردند این باکتری‌ها را مهندسی کرده تا آزمایش‌ها را انجام دهند، اما زنده نگه داشتن آنها و جلوگیری از انتشار آنها در محیط، یک چالش بزرگ بود. این چالش منجر به تحقیق روی یک نسخه بیولوژیکی مصنوعی و بدون سلول شد، جایی که مکانیسم‌های مبتنی بر پروتئین، از باکتری‌ها جدا می‌شوند و به‌صورت جداگانه مورد استفاده قرار می‌گیرند.

لوکس می‌گوید: «در زیست‌شناسی مصنوعی، ما سعی می‌کنیم آن ماشین‌های مولکولی را که سموم را تشخیص داده و دوباره مهندسی می‌کنند را تغییر کاربری دهیم تا آن‌طور که ما می‌خواهیم کار کنند، ما آن‌ها را دوباره مهندسی می‌کنیم تا کارهای مختلف انجام دهند. “البته این فکر خوبی نیست که یک میکروب مهندسی‌شده را در آبی که می‌خواهید کیفیت آن را اندازه‌گیری 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 کرده تا اقدامات متناسبی انجام شود.

این سیستم که ROSALIND 2.0 نام دارد دارای هشت لوله آزمایش کوچک است ئ هر کدام حاوی یک حسگر زیستی با حساسیت متفاوت نسبت به آلاینده‌ها هستند. اگر فقط یک لوله بدرخشد، نمونه آب فقط سطوح کمی آلودگی دارد. اما با درخشش لوله‌های بیشتر، آب آلوده‌تر می‌شود.

لوکس می‌گوید این آزمایش با استفاده از رشته‌های “فریبنده” DNA کار می‌کند. اینها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در واکنش با آلاینده به یک محصول میانی کلیدی متصل شوند و از تولید محصول فلورسنت نهایی جلوگیری کنند.

هر لوله به تدریج مقادیر بیشتری از این DNA را در خود دارد. از آنجایی که مرحله نهایی فلورسنت واکنش، تنها پس از اتمام DNA طعمه رخ می‌دهد، به این معنی است که یک لوله با مقدار کمی DNA، ممکن است در حضور آلاینده، فلورسانس شود، اما لوله با مقدار بالایی از این DNA ممکن است فلورسانس نکند. اندازه‌گیری سطح آلاینده را می‌توان با نگاه کردن به اینکه در کجای ردیف هشت لوله‌ای واکنش فلورسنت متوقف می‌شود، اندازه‌گیری کرد.

لوکس و تیم او نشان دادند که ROSALIND 2.0 می‌تواند عنصر “روی”، یک آنتی بیوتیک و یک متابولیت صنعتی را با موفقیت شناسایی کند.

همچنین می‌توان آزمایش‌های بدون سلول را برای ذخیره‌سازی و حمل و نقل آسان در حالت انجماد خشک کرد و سپس در صورت نیاز به سادگی با انداختن یک نمونه آب در هر لوله آزمایش فعال کرد.

تعیین غلظت یک آلاینده به تصمیم‌گیری در مورد اقدامات اصلاحی لازم کمک می‌کند. به عنوان مثال، اگر مقدار کمی سرب در منبع آب آشامیدنی خود دارید، ممکن است فقط لازم باشد قبل از استفاده، لوله‌های آب را شستشو دهید. اما اگر سطوح بالایی از آلودگی وجود دارد، ممکن است لازم باشد فوراً نوشیدن آب را متوقف کنید.

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

لوکس و تیم او همچنین نشان دادند که DNA مهندسی‌شده را می‌توان برای انجام عملیات منطقی مانند عملیات کامپیوترها استفاده کرد. ROSALIND 2.0 نه‌تنها می‌تواند به وجود یک ماده واکنش نشان دهد، بلکه در صورت وجود دو ماده شیمیایی مختلف نیز واکنش نشان خواهد داد. این امر راه را برای تجزیه و تحلیل بسیار پیچیده‌تر برای ساخت تست‌هایی به همان اندازه قوی و ساده هموار می‌کند.

منبع: Newscientist