Một nền tảng được phát triển cách đây gần 20 năm đã được sử dụng để phát hiện protein tương tác với DNA và tiến hành thử nghiệm chính xác COVID-19 đã được tái sử dụng để tạo ra công cụ phát hiện tế bào nhiễm nước cực kỳ nhạy cảm.

Công nghệ này kết hợp hai lĩnh vực thú vị-sinh học tổng hợp và công nghệ nano-để tạo ra một nền tảng mới cho việc giám sát hóa chất. Khi được điều chỉnh đúng cách, công nghệ này có khả năng phát hiện loại kim loại ở mức 2 tỷ lệ (ppb) và cadmium ở mức 1 tỷ lệ (ppb) chỉ trong vài phút.

nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nghiên cứu ACS Nano - một tạp chí có uy tín trong lĩnh vực nghiên cứu nano và công nghệ vật liệu - và nghiên cứu này là kết quả của sự hợp tác liên ngành giữa nhiều chuyên ngành khác nhau thuộc Trường Kỹ thuật McCormick của Đại học Northwestern. Điều này có thể chỉ ra rằng chương trình không chỉ có giá trị về mặt khoa học mà còn cung cấp sức mạnh cho cách tiếp cận ngành liên quan trong việc giải quyết các vấn đề phức tạp.

Thử nghiệm được thực hiện bằng cách kết hợp các thanh kết nối siêu nhỏ cơ sở nano với cảm biến sinh học tổng hợp. Các thanh kết nối này, được làm từ silicon và dễ dàng tái tạo, được phủ đặc biệt của thiết kế DNA phân tử. Khi các yếu tố phiên mã - một loại cảm biến sinh học - liên kết với DNA, thanh kết nối sẽ công. Khi gặp các chất hóa học tiêu điểm, các yếu tố yếu tố phân tách mã hóa, làm thay đổi tốc độ của thanh kết nối, cho phép đo lường chính xác để phát hiện các chất hóa học.

Công nghệ thanh ngọc nhỏ đã được kết hợp với công nghệ cảm biến sinh học ROSALIND của nhà sinh học tổng hợp Julius Lucks phát triển dựa trên cùng một cảm biến sinh học của yếu tố phiên mã, được cấu hình để kiểm soát biểu hiện gen trong phản ứng không có tế bào bào bằng cách liên kết và phân tách ADN. Công nghệ này có khả năng phát hiện 17 chất ô nhiễm khác nhau từ một ngọn nước và phát sáng màu xanh lục khi nồng độ chất ô nhiễm vượt ngưỡng an toàn cho phép của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ.

Trong thời kỳ đại dịch COVID-19, Lucks đã được chứng minh là công nghệ nghệ thuật thanh hơi thở siêu nhỏ phát huy hiệu quả khi các giáo sư Vinayak P. Dravid và Gajendra Shekhawat điều chỉnh nó để phát hiện chính xác virus SARS-CoV-2. Ấn tượng trước khả năng này, Lucks yên tĩnh ý tưởng rằng nếu phủ các thanh gỗ bằng DNA làm phòng thí nghiệm của ông thiết kế, chúng có thể được kích hoạt để tiếp nhận các chất độc hóa học. Kết hợp các thành phần từ hai công nghệ nói trên, nhóm nghiên cứu tại McCormick-bao bao gồm Lucks, tiến sĩ sau tiến sĩ Dilip Agarwal và nghiên cứu sinh Tyler Lucci—đã phát triển một phương pháp thử nghiệm có độ nhạy cực cao để phát hiện các chất ô nhiễm trong nước.

Dravid, chuyên gia công nghệ nano tại Northwestern, cho biết: " Các hệ thống vi mô và nano này không cần nhiều vật liệu vi-rút nhưng vẫn mang lại hiệu quả khác nhau. Việc sử dụng các thanh xà mô, quá trình thử nghiệm có thể diễn ra nhanh hơn, chỉ trong hai hoặc ba phút, tận dụng liên kết bề mặt đặc biệt. Khác với hầu hết các biến thể hiện nay chỉ nhận biết một loại protein, công nghệ này có khả năng phát hiện nhiều mục tiêu cùng lúc ".

Nhóm nghiên cứu bắt tay vào thử nghiệm với tetracycline vì loại kháng sinh này được sử dụng phổ biến trong sinh học tổng hợp, giúp họ có nhiều dữ liệu về cách hoạt động của tetracycline. Sau đó, họ tiếp tục phát triển cảm biến có thể phát hiện thủy ngân và cadmium ở nhiệt độ cực thấp, chỉ vài phần tỷ, lập kỷ lục trong các phương pháp cảm biến sinh học.

Các nhóm nghiên cứu đang tìm cách làm cho công nghệ này đơn giản hơn, vì hiện tại vẫn cần thiết bị chuyên dụng để quan sát những chuyển động ngõ cong rất nhỏ. Họ hy vọng trong tương lai, thiết bị này có thể được ứng dụng rộng rãi hơn, không chỉ trong y tế để theo dõi các chất độc trong cơ thể còn sót lại trong môi trường, ví dụ như kiểm tra chất lượng nước uống.

Nguồn: NASATI