Biosensor met bacterie-eiwitten toetst veiligheid drinkwater

Ons drinkwater bevat soms vervuilingen zoals antibiotica, schoonmaakmiddelen en lood. Amerikaanse wetenschappers hebben een biosensor ontwikkeld die met eiwitten uit bacteriën dit soort schadelijke stoffen in water opspoort.

Niet al het drinkwater op de wereld is even schoon en zelfs in de westerse landen bevat het soms schadelijke stoffen. Actieve bestandsdelen van geneesmiddelen komen bijvoorbeeld na gebruik, via de zuiveringsinstallaties, terecht in het oppervlakte- en drinkwater. Volgens het RIVM gaat dat om zo’n 140 ton geneesmiddelresten per jaar. Ook zware metalen, zoals lood van oude waterleidingen, bevuilen soms het drinkwater. Zulke schadelijke stoffen kun je meestal niet zien of proeven. Wil je toch weten of je drinkwater zware metalen bevat, dan betaal je in Nederland ongeveer 150 euro voor een test en wacht je enkele weken op de uitslag van het laboratorium.

Trucje van de natuur

Onderzoeker Julius Lucks test de waterkwaliteit in Paradise, Californie met de ROSALIND biosensor.

Wetenschappers van Northwestern University ontwikkelden een thuistest die eenvoudig en snel controleert of water schadelijke stoffen bevat. Het principe daarvan is niet geheel nieuw. De wetenschappers keken het trucje af van de natuur. “Sommige bacteriën bevatten een soort smaakpapillen waarmee ze stoffen uit de omgeving detecteren”, vertelt Julius Lucks, leider van het onderzoek in het persbericht. De onderzoekers maakten dat systeem na in een reageerbuisje. Die biosensor kreeg de naam ROSALIND, als eerbetoon aan een van de ontdekkers van de DNA-structuur: Rosalind Franklin. De wetenschappers publiceerden hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Biotechnology.

De biosensor bestaat uit enkele kleine reageerbuisjes, waarvan elk een schadelijke stof test. Ieder buisje heeft slechts een druppel water nodig. Door kort tegen het buisje te tikken, vermengt het water zich met de materialen in het buisje en komt de reactie op gang. Indien de biosensor een schadelijke stof detecteert, licht de vloeistof binnen een uur groen op. Dat is met het oog te zien. Hoe meer licht de vloeistof geeft, hoe meer van de schadelijke stof in het water aanwezig is.

Biosensor ROSALIND van Northwestern University.

De wetenschappers bouwden de biosensor met biologische materialen die normaal in een cel voorkomen, zoals DNA en eiwitten. Het DNA in de biosensor codeert voor een molecuul dat samen met een ander stofje in het reageerbuisje licht geeft. Bacteriële eiwitten, de eerder genoemde ‘smaakpapillen’, werken als een rem op dat stukje DNA: zij blokkeren de aanmaak van lichtgevende stofjes. Pas wanneer het eiwit de schadelijke stof ‘proeft’, heft het zijn rem op en geeft de vloeistof licht.

Uitgelicht door de redactie

Economie
Je geld of je leven?

Maatschappijwetenschap
Politie, burgers en technologie-ontwikkelaars in gesprek over de toekomst van de stad

Informatica
De gigantische logistieke operatie van het coronavaccin

Mooie toepassing

“Het onderzoek is goed en grondig uitgevoerd: wetenschappelijk zit het goed in elkaar.” Aan het woord is Vitor Martins Dos Santos. Deze hoogleraar aan Wageningen University & Research is niet betrokken bij het onderzoek, maar is gespecialiseerd in synthetische biologie. De biosensor is volgens hem geen geheel nieuwe, onverwachte ontdekking. Wetenschappers bedachten eerder soortgelijke sensoren, maar gebruikten daarvoor meestal levende micro-organismen.

Om een sensor met levende micro-organismen te laten werken, moeten ze in leven blijven. “Een grote concentratie schadelijke stoffen in het water is dodelijk voor micro-organismen, waardoor de resultaten niet meer betrouwbaar zijn”, legt Martins Dos Santos uit. Omdat de ROSALIND biosensor geen levende cellen bevat, vormt giftigheid geen probleem. De onderzoekers gebruikten alleen de deeltjes uit de cel die belangrijk zijn om schadelijke stoffen op te sporen. Hoewel andere wetenschappers dit in het verleden ook probeerden, was de technologie toen nog niet ver genoeg. “Deze nieuwe ontwikkeling is dus niet revolutionair, maar brengt wel onderzoek van de afgelopen jaren samen in een mooie toepassing”, aldus Martins Dos Santos.

Doe-het-zelftest

Met de nieuwe biosensor kunnen gemeenten en waterschappen straks ook de kwaliteit van natuurlijke wateren zoals rivieren en meren testen. De Amerikaanse wetenschappers namen zelf de proef op de som en onderzochten het water op vier locaties in Paradise, Californië. Daar hebben bosbranden geleid tot een opeenstapeling van giftige stoffen in het oppervlaktewater. Met hun ROSALIND-biosensor detecteerden de onderzoekers zink in twee locaties en zowel zink als koper in de andere twee. De resultaten kwamen overeen met die van klassieke analyses in het laboratorium.

De Amerikaanse wetenschappers namen zelf de proef op de som en onderzochten het water op vier locaties in Paradise, Californië met de biosensor.

De onderzoekers hopen dat met deze test iedereen straks snel en makkelijk kan meten hoe schoon het (drink)water is. Opslag en transport is geen probleem, want de biosensor kan bij kamertemperatuur twee en een halve maand bewaard worden. Wel is er een klein apparaatje nodig om het groene licht in de vloeistof te zien. De onderzoekers maakten dit apparaatje zelf met een 3D-printer en het produceren ervan kost zeven en een halve euro. Vanwege de lage kosten van zowel het apparaatje als de test zelf, is de biosensor ook geschikt voor gebruik in derdewereldlanden, waar juist veel drinkwater van slechte kwaliteit is.

De startup Stemloop wil de biosensor commercieel gaan produceren. Op dit moment kan ROSALIND zeventien verschillende stoffen detecteren. Maar de test is flexibel: de wetenschappers kunnen steeds nieuwe ‘smaakpapillen’ van bacteriën toevoegen en de test verder uitbreiden.

De startup is volgens Martins Dos Santos de moeite waard en een goede vervolgstap: “Ik zou het mooi vinden als de biosensor over een aantal jaar wereldwijd gebruikt kan worden.” Maar hij waarschuwt dat ROSALIND nog verdere ontwikkelstappen moet doorlopen. Het is bijvoorbeeld nog niet bekend hoe de biosensor reageert op sterke vervuiling. “Moleculen die in complexe afvalstromen voorkomen, kunnen het biologische systeem van de sensor verstoren en zijn werkzaamheid of gevoeligheid beïnvloeden”, aldus Martins Dos Santos. De onderzoekers moeten dus eerst testen hoe de biosensor in verschillende omgevingen en afvalstromen werkt, voordat we massaal ons leidingwater kunnen testen met de nieuwe biosensor.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink, en hoort bij het thema Ziekten voorkomen op Biotechnologie.nl.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden