科学家设计了一种使用无害细菌检测饮用水中的重金属的方法

当涉及到检测饮用水中的危险污染物，如铅或镉等重金属时，直接从人们饮用的水龙头进行持续检测是很重要的。然而，这种水测试很少进行。来自加州大学圣地亚哥分校和校园分支定量生物科学的一个团队正在努力改善这种情况。

娜塔莉·库克森(加州大学圣地亚哥分校2008年生物工程博士)是首席执行官定量生物科学这是一家从加州大学圣地亚哥分校的哈斯蒂实验室剥离出来的初创公司。

“水可能可以喝，可以喝，可以喝……然后它不是，”加州大学圣地亚哥分校生物工程校友娜塔莉·库克森(2008年)说，她解释了持续监测饮用水的价值，而不是零星的水监测。

她希望这项工作将产生负担得起的水测试系统，可以安装在人们实际饮用的水龙头上。例如，从密歇根州弗林特处理厂流出的水，铅含量并不高到危险的程度。但当同样的水从弗林特居民的水龙头中倒出来时，水中已经含有铅。

一个来自加州大学圣地亚哥分校的团队定量生物科学提出了一种利用细菌作为污染传感器的饮用水重金属污染连续监测的新方法。该团队最近在该杂志上发表了他们的进展美国国家科学院院刊（PNAS）.

库克森说:“我们的首要任务是做我们感到自豪并将产生影响的工作。”

虽然在居民用水中重金属检测方面确实存在一些选择，但技术、成本和后勤方面的限制阻碍了对家庭、学校和农场的自来水进行广泛、持续的监测。圣地亚哥的研究小组正在寻求消除这些障碍。

大肠杆菌作为水测试员

新的水监测方法依赖于无害的菌株大肠杆菌细菌来检测重金属污染物。而大肠杆菌由于与食物中毒有关，这种无害的微生物菌株在世界各地的实验室中被用于许多不同的研究目的。

它们是细菌世界里的小白鼠。

“好吧大肠杆菌。尼克Csicsery。“如果你知道那里有砒霜，就告诉我们。”

有时,大肠杆菌Csicsery解释说:“这取决于金属。”他最近在加州大学圣地亚哥分校的匆匆实验室获得了生物工程博士学位，并加入了定量生物科学公司，在那里他致力于开发基于合成生物学的监测技术。

加州大学圣地亚哥分校生物工程师Nicholas Csicsery, Lizzy Stasiowski, Gregoire Thouvenin在生物工程和生物学教授Jeff Hasty管理的加州大学圣地亚哥分校生物动力学实验室工作。

这些微生物是如何“让我们知道”水中存在危险的重金属的?

答案是，细菌基因组对污染物的反应方式是人类已经学会识别的。

“我们可以获取周围生命的密码，”加州大学圣地亚哥分校生物工程博士生格雷瓜尔·托维宁(Gregoire Thouvenin)说，他是该研究报告的另一位共同第一作者PNAS纸。“当你研究微生物时，你会更深入地挖掘，你会意识到它们与其他一切事物的联系比你最初想象的更紧密。”

在这种情况下，利用这些联系需要来自许多领域的研究人员，包括生物工程、合成生物学、微流体学、数学和数据科学，以结合力量。这个系统可以监测水质两周，并能识别水中的污染物何时会改变2000种不同细菌的遗传行为。

大肠杆菌酒店

在这个细菌驱动的水测试系统中，每种细菌都生活在自己的小房间里，所有2000种细菌都排列在同一个由坚硬半透明材料制成的芯片中。有微小的通道将水、污染物和食物以可控的方式输送到每个舱室。

2000应变微流控装置装载蓝色染料。每一个蓝绿色的斑点都对应一个产光大肠杆菌的生长室。从每个蓝绿色斑点中提取荧光值(如果你仔细观察，它们是灯泡形状)，以监测每个大肠杆菌菌株对环境输入的独特反应。这种设计允许每个腔室在废物流失的同时不断地向生长介质输送。生长介质中可以加入用于重金属检测的水样。

这2000个菌株每个都有一些遗传物质插入到其DNA的一个小圆形片段(质粒)中，使荧光输出能够“突出”特定基因的活性。当水污染物与插入的基因相互作用时，细菌就会发光。

通过微流体装置，研究人员可以记录哪些菌株在何时发光。这种眨眼模式会被记录下来，并输入人工智能系统。其结果是一种自动识别细菌何时在水中遇到特定重金属污染物的能力，基于细菌产生的光的模式。生物工程博士生加勒特·格雷厄姆(Garrett Graham)负责该项目的数据科学和人工智能部分。(他毕业后在北卡罗来纳州气候研究所(North Carolina Institute for climate Studies)担任气候数据分析师。)

该想法是将该系统安装在人们实际饮用的地方，以识别受污染的水。

虽然研究人员选择重金属识别是为了展示他们系统的强大和灵活性，但它的人工智能组件也可以被训练来识别其他污染物。

制作:制作的艺术和科学

这个项目最大的进步之一是弄清楚如何设计、建造和运行这个系统，在两周的时间里插入、安置、喂养和跟踪2000种不同的细菌菌株。

Lizzy Stasiowski和Nick Csicsery领导了该系统的设计和制造，该系统可以容纳所有2000人大肠杆菌立即加载到系统中的应变。

这个项目将“制造”的艺术和科学与合成生物学、基因组分析和机器学习结合起来，创建了一个准备在世界上做善事的系统。

“关于这个项目，我最喜欢的一点是它的多功能。我们的系统允许您同时监测数千种细菌菌株的基因表达的动态变化，以适应任何环境变化。这是一个与工业界和学术界都相关的项目，”Stasiowski说。

她最近在加州大学圣地亚哥分校完成了生物工程博士学位，是圣地亚哥Vertex制药公司的研究员，从事仪器研究和开发。

加州大学圣地亚哥分校生物工程和生物学教授杰夫·海斯蒂说:“虽然我发现对重金属的关注在概念的仔细证明方面很有趣，但我最兴奋的是这项技术作为研究人员和专注合成生物学的公司的筛选工具。”杰夫·海斯蒂是该研究的资深作者PNAS纸。“这项技术在发现对环境和医疗应用中发现的复杂信号做出反应的基因方面处于有利地位。”

作为一种筛选工具，该平台将微流体和人工智能独特地结合在一起，有助于揭示使细胞能够解释和对不断变化的环境做出反应的机制，并使测试旨在以新方式与环境相互作用的合成菌株成为可能。现有的筛选技术很少同时具备这样做所需的时间分辨率和吞吐量。因此，该平台对合成生物学家(在活细胞中设计和实现新功能的人)和系统生物学家(建立细胞中发生的所有反应的综合模型的人)都具有巨大的潜在价值。

Thouvenin变得有点哲学。“我们周围的生物是可塑的，经过数百万年的进化，它们已经被塑造得非常漂亮。现在我们有机会了解它，重新利用它，并最终优化它以适应不断变化的世界。”