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[中國科學報]DNA分子印跡精準“捕獲”抗性基因
時間：2020-04-09
來源：中國科學報
作者：溫才妃、朱琳
攝影： 編輯：鄧曉容
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37倍！
在模擬污染物和實際污水實驗中，南京工業大學環境學院教師袁青彬驚喜地發現，利用DNA分子印跡負載到氮化碳光催化材料表面，能夠更好地降解抗性基因。
針對水污染中大量存在的抗性細菌及抗性基因，袁青彬和萊斯大學教授佩德羅·阿爾瓦雷斯合作，利用分子印跡能夠選擇性識別污染物的特征，開發了基于DNA分子印跡的抗性基因選擇性光降解技術，實現了99.9%的抗性基因降解率。近日，該研究成果在線發表于《環境科學與技術》。
DNA分子印跡開啟“選擇性識別”
袁青彬和團隊成員在實驗中打破了傳統污染物降解中的“既定程序”。在對污染物進行降解之前，他們開發了一種選擇性識別污染物的DNA分子印跡技術，通過先找到水中的抗性基因，后進行精準降解，來提高降解效率。
作為一種新興污染物，抗性細菌及抗性基因已經成為全球關注的焦點。據估計，到2050年，每年將會有成千上萬人因此而死亡。氯和紫外光等水處理消毒技術，雖然能夠較為有效地殺滅抗性細菌，但并沒有從根本上消除抗藥性風險，抗性基因仍然保持活性。與此同時，氯和紫外光等傳統消毒技術很容易受水中污染物干擾，不能有效去除抗性基因。
分子印跡技術在化學領域已有較長應用歷史，主要用于一些物質的檢測，在環境保護領域，則僅限于對化學污染物的吸附。“我們這次要用它識別并去除生物性污染物——抗性基因。”據袁青彬介紹，人們常把抗生素作為添加劑注入病人和家禽家畜體內。久而久之，細菌對抗生素產生抗體，在DNA層面，細菌已經擁有這種抗性基因。“不同于一般的小分子污染物，因為抗性基因是生物大分子，我們要‘捕捉’到它，必須找到一個通用的結構。”
DNA分子由很多核苷酸組成。而核苷酸里面的堿基——鳥嘌呤，作為最容易被氧化的一個堿基，同時又能夠識別所有帶堿基的分子。于是，課題組成員便用鳥嘌呤作為制作分子印跡的模板。
結合光催化技術進行片段化“降解”
選擇、合成、邊緣氧化……另一邊，袁青彬和團隊又開始了對高級氧化技術中催化劑的選擇和提取，DNA分子印跡結合高級氧化技術，實驗走向了“降解”的過程。
據佩德羅·阿爾瓦雷斯介紹，光催化技術是一種高級氧化技術，它是通過輸入紫外光或可見光，產生氧化能力很強的自由基，來破壞水中的污染物。光催化技術關鍵在于催化劑的選擇與合成。“金屬催化劑在水中會溶解成金屬離子，形成新的污染物，所以我們引入非金屬材料作為催化劑。氮化碳作為一種常用的非金屬催化劑，它的光吸收效率比較高，自然成為我們的首選。”
在萊斯大學生物實驗室里，持續了6個月的實驗進入驗證階段。為了檢測DNA分子印跡的選擇性識別效應，袁青彬進行了兩組對比實驗：把負載鳥嘌呤印跡的氮化碳，與沒有負載鳥嘌呤印跡的氮化碳，分別放入加有抗性基因和其他污染物的水中。經過紫外光（360nm）降解30分鐘，負載鳥嘌呤的氮化碳降解性能是99.9%，前者降解效率是后者的37倍。
另一組實驗則對比了負載鳥嘌呤的氮化碳與單純的光催化技術的降解效率。袁青彬用了光催化技術中最好、最成熟的材料二氧化鈦進行對比，結果顯示，前者是后者的1.7倍，后者受到水中其他污染物的干擾較大。
城市污水處理的科研新思路
“既要抓降解，也要抓捕獲。”2018年12月，14位環境光催化領域的頂級專家在《環境科學與技術》上，開展了一場關于光催化技術實際應用問題的大討論，光催化的選擇性問題引起專家的關注。
而在這之前，2018年11月，袁青彬和他的團隊成員已經在實驗室開始了DNA分子印跡選擇并降解抗性基因的實驗。
“城市污水處理技術的發展離不開環境中抗性基因控制技術的深入。”從2012年開始，還是博士一年級的袁青彬就一直致力于抗性基因行為和控制技術的研究。他說：“因為我們做的是應用型研究，每一點對于應用效率的提高都能為解決水污染提供新的參考。”
做過紫外光去除抗性基因的項目，也做過光催化材料優化的項目，能否在污染物的降解程序上有所突破？具有“選擇性識別”特征的分子印跡一下子吸引了袁青彬和團隊成員的注意。
“目前我們正在對材料進行改進，以便進一步提高DNA分子印跡的選擇性。”袁青彬和團隊成員正在考慮實驗的落地和應用問題。與此同時，他們也正在研究如何讓DNA分子印跡技術更好地應用到生活污水之外的工業污水和養殖污水中，并實現長期降解能力的增強。
相關論文信息：https://doi.org/10.1021/acs.est.9b06926
2020年4月9日《中國科學報》第4版：http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2020/4/354456.shtm
