Una nueva tecnología de plataforma puede evaluar la seguridad y la calidad del agua con solo una gota y unos minutos.
En comparación con una prueba de embarazo, la plataforma portátil utiliza una muestra para proporcionar un resultado positivo o negativo fácil de leer. Cuando la prueba detecta un contaminante que excede los estándares de la EPA, se ilumina en verde.
Dirigido por investigadores de la Universidad Northwestern, las pruebas pueden detectar 17 contaminantes diferentes, incluidos metales tóxicos como plomo y cobre, productos farmacéuticos, cosméticos y productos de limpieza. La plataforma, que funciona con biología sintética sin células, es tanflexible para que los investigadores puedan actualizarlo continuamente para detectar más contaminantes.
"Las pruebas de agua actuales se basan en un laboratorio centralizado que contiene equipos realmente costosos y requiere experiencia para operar", dijo Julius Lucks de Northwestern, quien dirigió el estudio. "Enviar una muestra puede costar hasta $ 150 y tomar varias semanas para obtener resultados". Estamos ofreciendo una tecnología que permite a cualquiera probar directamente su propia agua y saber si tienen contaminación en cuestión de minutos. Es tan simple de usar que podemos ponerla en manos de las personas que más la necesitan ".
La investigación se publicará el 6 de julio en la revista Biotecnología de la naturaleza . Lucks es profesor de ingeniería química y biológica en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern y miembro del Centro de Biología Sintética. Jaeyoung Jung y Khalid Alam, miembros del laboratorio de Lucks, son los primeros autores del artículo.
'papilas gustativas' moleculares
Un desafío importante para garantizar la calidad del agua es que las personas generalmente no pueden ver ni probar los contaminantes. La plataforma de Northwestern utiliza biología sintética para detectar esta contaminación imperceptible, llenando los vacíos donde los sentidos humanos se quedan cortos.
En biología sintética libre de células, los investigadores extraen la maquinaria molecular, incluido el ADN, el ARN y las proteínas, y luego reprograman esa maquinaria para realizar nuevas tareas. La idea es similar a abrir el capó del automóvil yquitar el motor, lo que permite a los investigadores usar el motor para diferentes propósitos, sin las restricciones del automóvil. En este caso, el equipo de Lucks usó maquinaria molecular de células bacterianas.
"La naturaleza ya ha resuelto este problema", dijo Alam. "La biología ha pasado más de tres mil millones de años desarrollando una solución elegante para detectar contaminantes".
"Descubrimos cómo las bacterias prueban naturalmente las cosas en su agua", agregó Lucks. "Lo hacen con pequeñas 'papilas gustativas' de nivel molecular. La biología sintética libre de células nos permite sacar esas pequeñas papilas gustativas moleculares y ponerlasen un tubo de ensayo. Luego podemos 'volver a cablearlos' para producir una señal visual. Se ilumina para permitir que el usuario vea rápida y fácilmente si hay un contaminante en su agua ".
Estas "papilas gustativas" reprogramadas se liofilizan para volverse estables y se colocan en tubos de ensayo. Agregar una gota de agua al tubo, y luego sacudirlo, desencadena una reacción química que provoca la liofilizaciónpellet para brillar en presencia de un contaminante.
"La magia está en los tubos", dijo Lucks. "Componemos todo y lo liofilizamos, el mismo proceso que hacer helado de astronauta".
Inspirado por las mujeres en la ciencia
Lucks y su equipo llaman a esta plataforma de prueba "sensores de salida de ARN activados por inducción de ligando". Pero su equipo la ha llamado ROSALIND para abreviar, en honor a la famosa química Rosalind Franklin, quien descubrió la doble hélice de ADN junto a James Watson y Francis CrickEl cumpleaños número 100 de Franklin habría sido el próximo mes 25 de julio.
"Su trabajo esencialmente nos permitió aprender a reprogramar el ADN para actuar en nuestra tecnología", dijo Lucks.
Al comenzar este proyecto, Lucks se inspiró en otra mujer científica en su vida: su esposa, la antropóloga del noroeste Sera Young, que estudia la seguridad alimentaria y del agua a nivel mundial y el papel de la inseguridad del agua en el hogar en el bienestar social.
"Sera investiga cómo la mala calidad del agua impacta la vida cotidiana de las personas", dijo Lucks. "Las personas tienden a ir a las fuentes más convenientes para obtener agua. Pero si supieran que el agua está contaminada, podrían elegir viajar más lejos para encontrar un lugar más seguroagua. Queremos que todos tengan las herramientas que necesitan para tomar decisiones informadas "
ROSALINDA en el paraíso
Para probar la nueva plataforma en el campo, Lucks, Jung, Alam y su compañero profesor del noroeste Jean-Francois Gaillard visitaron Paradise, California a fines del año pasado. Un año antes, una serie de incendios forestales masivos arrasaron la ciudad del norte de California,destruyendo casi 19,000 edificios y desplazando a la mayoría de su población. Gaillard, profesor de ingeniería ambiental, es un experto en los procesos biogeoquímicos que afectan los metales en el sistema acuático.
"Los incendios forestales básicamente derritieron la ciudad", dijo Lucks. "Quemaron edificios y derritieron automóviles que liberaron metales tóxicos al medio ambiente".
Lucks, Gaillard y sus equipos probaron ROSALIND junto con pruebas de agua estándar de oro y descubrieron que ROSALIND pudo identificar la presencia de metales tóxicos elevados en el suministro de agua. También proporcionó resultados mucho más rápidos y menos costosos.
Lucks y su equipo imaginan que ROSALIND podría ayudar a los esfuerzos de recuperación como el de Paradise, en el que los residentes debían realizar decenas de miles de pruebas para saber si su comunidad era segura para volver a ingresar.
"Las pruebas de laboratorio no escalan", dijo Alam. "No debería tomar días obtener una respuesta a la simple pregunta: '¿Es segura beber mi agua?'"
Dificultades de prueba en casa
Los desastres, por supuesto, no son las únicas causas del agua insegura. Los metales pesados, como el cobre y el plomo, que se encuentran naturalmente en el medio ambiente pueden filtrarse en las tuberías, contaminando los grifos domésticos y las fuentes de agua potable de la escuela. Productos para el cuidado personal, como protectores solares y lociones, lavan la piel de las personas y terminan en vías fluviales. Los productos farmacéuticos no utilizados y los herbicidas agrícolas, también, se escurren hacia el agua y terminan en nuestros sumideros.
Pero, a menos que podamos analizar directamente, y con regularidad, estos contaminantes, no hay forma de mantener la tranquilidad.
Al analizar el agua en su propia casa en Evanston, Illinois, Lucks y Young notaron varias dificultades. El consumo de altos niveles de cobre durante muchos meses o años puede provocar daño hepático e incluso la muerte. Con esta preocupación, Lucks decidió verificar el cobreniveles en el agua de su hogar. Costó $ 150 y tardó un mes en recibir los resultados.
"Esta es una prueba de una sola vez", dijo Lucks. "No permite verificar los niveles de diferentes tomas en la casa o pruebas temporales a lo largo del tiempo".
La prueba de plomo no fue mucho más fácil. Los kits de prueba de plomo están disponibles en la mayoría de las ferreterías. Pero después de llenar un tubo con agua, aún debe enviarse por correo a una instalación centralizada. Todavía cuesta hasta $ 150 por prueba y tomasemanas para obtener resultados. Y si las personas quieren revisar su agua en busca de otros contaminantes, como antibióticos, las pruebas simplemente no existen para los consumidores.
"Ha habido muchos avances en el desarrollo de diagnósticos en el punto de uso para monitorear los patógenos", dijo Jung. "Pero no se realizó el esfuerzo suficiente para detectar contaminantes químicos".
"Para garantizar el acceso a agua potable limpia y segura, necesitamos tecnologías que permitan un fácil monitoreo de la calidad del agua", dijo Lucks. "Con un dispositivo portátil simple y fácil de usar como ROSALIND, puede analizar el aguaen su casa o en el campo, donde más le gustaría usar ".
La investigación, "Biosensores sin células para la detección rápida de contaminantes del agua", fue apoyada por la National Science Foundation números de premio 1452441 y 1929912, los Institutos Nacionales de Salud número de premio R35 GM118157, el Crown Family Center paraEstudios judíos e israelíes en la Northwestern University y Searle Funds en The Chicago Community Trust.
Nota del editor: Stemloop, una empresa emergente de Northwestern, ha optado por la tecnología ROSALIND con planes de comercializarla. Suertes, Alam y Northwestern tendrán intereses financieros regalías, acciones, si se comercializa.
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