La nouvelle plate-forme utilise la biologie synthétique sans cellule pour tester 17 contaminants, y compris le plomb, le cuivre, les produits pharmaceutiques et les cosmétiques. Les tests coûtent des sous et des minutes de travail.

Une nouvelle technologie de plate-forme permet d’évaluer la sécurité et la qualité de l’eau en une seule goutte et en quelques minutes.

Comparée à un test de grossesse, la plateforme portable utilise un échantillon pour fournir un résultat positif ou négatif facile à lire. Lorsque le test détecte un contaminant dépassant les normes de l’EPA, il devient vert.

Menés par des chercheurs de la Northwestern University, les tests peuvent détecter 17 contaminants différents, notamment des métaux toxiques tels que le plomb et le cuivre, les produits pharmaceutiques, les cosmétiques et les produits de nettoyage. La plateforme – qui est alimentée par la biologie synthétique sans cellule – est si flexible que les chercheurs peuvent la mettre à jour en permanence pour détecter plus de polluants.

“Les analyses d’eau actuelles reposent sur un laboratoire centralisé qui contient un équipement très coûteux et nécessite une expertise pour fonctionner”, a déclaré Julius Lucks de Northwestern, qui a dirigé l’étude. “L’envoi d’un échantillon peut coûter jusqu’à 150 $ et prendre plusieurs semaines pour obtenir des résultats.”

«Nous proposons une technologie qui permet à n’importe qui de tester directement sa propre eau et de savoir si elle est contaminée en quelques minutes. Son utilisation est si simple que nous pouvons la mettre entre les mains des personnes qui en ont le plus besoin.

La recherche sera publiée le 6 juillet dans la revue Biotechnologie de la nature. Lucks est professeur de génie chimique et biologique à la McCormick School of Engineering de Northwestern et membre du Center for Synthetic Biology. Jaeyoung Jung et Khalid Alam, membres du laboratoire de Lucks, sont les co-premiers auteurs de l’article.

Les «papilles gustatives» moléculaires

Un défi majeur pour garantir la qualité de l’eau est que les gens ne peuvent généralement pas voir ni goûter les contaminants. La plate-forme de Northwestern utilise la biologie synthétique pour détecter cette contamination imperceptible, comblant les lacunes où les sens humains manquent.

En biologie synthétique sans cellules, les chercheurs retirent la machinerie moléculaire – y compris l’ADN, l’ARN et les protéines – des cellules, puis reprogramment cette machinerie pour effectuer de nouvelles tâches.

L’idée revient à ouvrir le capot de la voiture et à retirer le moteur, ce qui permet aux chercheurs d’utiliser le moteur à des fins différentes, sans les contraintes de la voiture. Dans ce cas, l’équipe Lucks a utilisé des machines moléculaires issues de cellules bactériennes.

La nature a déjà résolu ce problème. La biologie a passé plus de trois milliards d’années à développer une solution élégante pour détecter les contaminants. “

Khalid Alam, co-auteur de l’étude, Département de génie chimique et biologique, Northwestern University,

“Nous avons découvert comment les bactéries goûtent naturellement les choses dans leur eau”, a ajouté Lucks. «Ils le font avec peu de« papilles gustatives »au niveau moléculaire. La biologie synthétique sans cellule nous permet de retirer ces petites papilles gustatives moléculaires et de les mettre dans un tube à essai. Nous pouvons ensuite les« re-câbler »pour produire un signal visuel. Il brille pour permettre à l’utilisateur de voir rapidement et facilement s’il y a un contaminant dans son eau. “

Ces «papilles gustatives» reprogrammées sont lyophilisées pour devenir stables à la conservation et mises dans des tubes à essai. L’ajout d’une goutte d’eau dans le tube – puis son effleurement – déclenche une réaction chimique qui fait briller la pastille lyophilisée en présence d’un contaminant.

“La magie est dans les tubes”, a déclaré Lucks. “Nous composons tout et le lyophilisons – le même processus que la fabrication de crème glacée pour astronautes.”

Inspiré par les femmes scientifiques

Lucks et son équipe appellent cette plate-forme de test «capteurs de sortie d’ARN activés par induction de ligand». Mais son équipe l’a surnommé ROSALIND pour faire court, en l’honneur de la célèbre chimiste Rosalind Franklin, qui a découvert la double hélice d’ADN aux côtés de James Watson et Francis Crick. Le 100e anniversaire de Franklin aurait été le mois prochain (25 juillet).

“Son travail nous a finalement permis d’apprendre à reprogrammer l’ADN pour qu’il agisse dans notre technologie”, a déclaré Lucks.

Au début de ce projet, Lucks s’est inspiré d’une autre femme scientifique de sa vie: sa femme, l’anthropologue du Nord-Ouest Sera Young, qui étudie la sécurité alimentaire et hydrique mondiale et le rôle de l’insécurité hydrique des ménages dans le bien-être de la société.

“Sera étudie comment la mauvaise qualité de l’eau affecte la vie quotidienne des gens”, a déclaré Lucks. “Les gens ont tendance à aller aux sources les plus pratiques pour obtenir de l’eau. Mais s’ils savaient que l’eau était contaminée, ils pourraient choisir de voyager plus loin pour trouver de l’eau plus sûre. Nous voulons que tout le monde ait les outils dont il a besoin pour prendre des décisions éclairées. “

ROSALIND au paradis

Pour tester la nouvelle plate-forme sur le terrain, Lucks, Jung, Alam et son collègue le professeur du Nord-Ouest Jean-François Gaillard ont visité Paradise, en Californie, à la fin de l’année dernière.

Un an plus tôt, une série d’incendies de forêt massifs a oblitéré la ville du nord de la Californie, détruisant près de 19 000 bâtiments et déplaçant la plupart de sa population. Gaillard, professeur de génie de l’environnement, est un expert des processus biogéochimiques qui affectent les métaux dans le système aquatique.

“Les incendies de forêt ont fondamentalement fait fondre la ville”, a déclaré Lucks. “Ils ont incendié des bâtiments et fait fondre des voitures qui ont libéré des métaux toxiques dans l’environnement.”

Lucks, Gaillard et leurs équipes ont testé ROSALIND parallèlement à des tests d’eau standard et ont découvert que ROSALIND était en mesure d’identifier la présence de métaux toxiques élevés dans l’approvisionnement en eau. Il a également fourni des résultats beaucoup plus rapides et moins coûteux.

Lucks et son équipe envisagent que ROSALIND pourrait aider les efforts de récupération comme celui de Paradise, dans lequel les résidents devaient effectuer des dizaines de milliers de tests afin de savoir si leur communauté était sûre de rentrer.

“Les tests de laboratoire ne sont pas à l’échelle”, a déclaré Alam. “Cela ne devrait pas prendre des jours pour obtenir une réponse à la question simple:” Mon eau est-elle potable? “”

Difficultés des tests à domicile

Bien entendu, les catastrophes ne sont pas les seules causes d’une eau insalubre. Les métaux lourds, tels que le cuivre et le plomb, que l’on trouve naturellement dans l’environnement, peuvent s’infiltrer dans les tuyaux, contaminer les robinets d’eau des ménages et les fontaines à boire des écoles.

Les produits de soins personnels, tels que les écrans solaires et les lotions, nettoient la peau des personnes et se retrouvent dans les cours d’eau. Les produits pharmaceutiques et les herbicides agricoles non utilisés, aussi, s’écoulent dans notre eau et finissent dans nos éviers.

Mais, à moins que nous ne puissions tester directement – et régulièrement – ces polluants, il n’y a aucun moyen de maintenir une tranquillité d’esprit.

Lors de l’analyse de l’eau dans leur propre maison à Evanston, Illinois, Lucks et Young ont noté plusieurs difficultés. Consommer des niveaux élevés de cuivre pendant plusieurs mois ou années peut entraîner des dommages au foie et même la mort. Avec cette préoccupation, Lucks a décidé de vérifier les niveaux de cuivre dans l’eau de leur maison. Cela a coûté 150 $ et a pris un mois pour recevoir les résultats.

“Il s’agit d’un test unique”, a déclaré Lucks. “Il ne permet pas de vérifier les niveaux des différents robinets de la maison ou de tester temporellement au fil du temps.”

Tester la piste n’était pas beaucoup plus facile. Des kits de test de plomb sont disponibles dans la plupart des quincailleries. Mais après avoir rempli un tube d’eau, il doit toujours être envoyé par la poste à une installation centralisée. Il coûte toujours jusqu’à 150 $ par test et prend des semaines pour obtenir des résultats.

Et si les gens veulent vérifier leur eau pour d’autres contaminants, tels que les antibiotiques, les tests n’existent tout simplement pas pour les consommateurs.

“Il y a eu beaucoup de progrès dans le développement de diagnostics au point d’utilisation pour la surveillance des agents pathogènes”, a déclaré Jung. “Mais pas assez d’efforts pour détecter les contaminants chimiques.”

“Pour garantir l’accès à une eau potable salubre et propre, nous avons besoin de technologies qui permettront une surveillance facile de la qualité de l’eau”, a déclaré Lucks. “Avec un appareil portable simple et facile à utiliser comme ROSALIND, vous pouvez tester l’eau dans votre maison ou sur le terrain – là où vous voudriez l’utiliser le plus.”

La source:

Référence de la revue:

Jung, JK, et al. (2020) Biocapteurs sans cellule pour la détection rapide des contaminants de l’eau. Biotechnologie de la nature. doi.org/10.1038/s41587-020-0571-7.

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