Công cụ phát hiện ô nhiễm kết hợp sinh học tổng hợp và công nghệ nano phát hiện các chất ô nhiễm trong nước với độ nhạy cực cao

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

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 kim loại chì ở mức 2 phần tỷ (ppb) và cadmium ở mức 1 phần tỷ (ppb) chỉ trong vài phút.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí 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 thể hiện rằng công trình không chỉ có giá trị về mặt khoa học mà còn cho thấy sức mạnh của cách tiếp cận liên ngành trong việc giải quyết các vấn đề phức tạp.

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

Công nghệ thanh giằng siêu 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 bằng cách liên kết và tách rời ADN. Công nghệ này có khả năng phát hiện 17 chất ô nhiễm khác nhau từ một giọt 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 chứng kiến công nghệ thanh giằng 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 nảy ra ý tưởng rằng nếu phủ các thanh dầm bằng DNA do phòng thí nghiệm của ông thiết kế, chúng có thể được kích hoạt để nhận diện các độc tố hóa học. Kết hợp các thành phần từ hai công nghệ nói trên, nhóm nghiên cứu tại McCormick-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.

Hình ảnh mô hình minh hoạ

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 biệt. Nhờ sử dụng các thanh dầm vi mô, quá trình xét nghiệm có thể diễn ra nhanh hơn, chỉ trong hai hoặc ba phút, do tận dụng liên kết bề mặt đặc biệt. Khác với hầu hết các cảm biến hiện nay chỉ nhận diện một loại protein, công nghệ này có thể 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 tetracycline hoạt động. Sau đó, họ tiếp tục phát triển cảm biến có thể phát hiện chì và cadmium ở nồng 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 uốn 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 mà còn trong môi trường, chẳng hạn như kiểm tra chất lượng nước uống.

Nguồn: Theo Cục Thông Tin, Thống Kê - Bộ Khoa Học Và Công Nghệ "Công cụ phát hiện ô nhiễm kết hợp sinh học tổng hợp và công nghệ nano phát hiện các chất ô nhiễm trong nước với độ nhạy cực cao", đăng ngày 21/03/2025 xem tại link: https://vista.gov.vn/vi/news/khoa-hoc-ky-thuat-va-cong-nghe/cong-cu-phat-hien-o-nhiem-ket-hop-sinh-hoc-tong-hop-va-cong-nghe-nano-phat-hien-cac-chat-o-nhiem-trong-nuoc-voi-do-nhay-cuc-cao-10979.html, truy cập ngày 24/03/2025