Synthetische biologen van de Northwestern University ontwikkelden een eenvoudig, goedkope nieuwe test die gevaarlijke niveaus van fluoride in drinkwater kan detecteren.

Kost slechts centen om te maken, het systeem heeft slechts een druppel en een veeg nodig:druppel een klein waterdruppeltje in een voorbereide reageerbuis, veeg de buis een keer om het te mengen en wacht. Als het water geel wordt, dan is er een buitensporige hoeveelheid fluoride - die de strengste wettelijke normen van de EPA overschrijdt - aanwezig.

Deze methode verschilt sterk van de huidige tests, die honderden dollars kosten en vaak wetenschappelijke expertise vereisen om te gebruiken.

De onderzoekers testten het systeem zowel in het laboratorium in Northwestern als in het veld in Costa Rica, waar fluoride van nature overvloedig aanwezig is in de buurt van de Irazu-vulkaan. Bij langdurig gebruik in grote hoeveelheden, fluoride kan skeletfluorose veroorzaken, een pijnlijke aandoening die botten en gewrichten verhardt.

Amerikanen hebben de neiging om te denken aan de gezondheidsvoordelen van kleine doses fluoride die tanden versterken. Maar elders in de wereld, specifiek in delen van Afrika, Azië en Midden-Amerika, fluoride komt van nature voor in niveaus die gevaarlijk zijn om te consumeren.

"In de Verenigde Staten, we horen de hele tijd over fluoride omdat het in tandpasta zit en de gemeentelijke watervoorziening, " zei Julius Lucks van Northwestern, die het project leidde. "Het maakt calciumfluoride, wat erg moeilijk is, dus het versterkt ons tandglazuur. Maar boven een bepaald niveau, fluoride verhardt ook de gewrichten. Dit is meestal geen probleem in de VS, maar het kan een slopend probleem zijn in andere landen als het niet wordt geïdentificeerd en aangepakt."

Het onderzoek werd vorige week (13 december) online gepubliceerd in het tijdschrift ACS synthetische biologie .

Lucks is universitair hoofddocent chemische en biologische technologie aan de McCormick School of Engineering en lid van het Northwestern's Centre for Synthetic Biology. Het werk werd uitgevoerd in samenwerking met Michael Jewett, hoogleraar chemische en biologische technologie in McCormick en directeur van het Centrum voor Synthetische Biologie. Afgestudeerde studenten Walter Thavarajah, Adam Silverman en Matthew Verosloff leidden het onderzoek.

Succes in de veldtest

Fluoride is een natuurlijk voorkomend element, die uit het gesteente in het grondwater kunnen sijpelen. Ook gevonden in vulkanische as, fluoride is vooral overvloedig in de regio's rond vulkanen.

De thuisbasis van drie vulkanische bereiksystemen, Costa Rica leek een natuurlijke plek om het apparaat in het veld te testen. Matthew Verosloff, een doctoraat kandidaat in het laboratorium van Lucks, reisde naar Costa Rica en bemonsterde verschillende watermonsters - van modderplassen, vijvers en sloten.

"Elke test op deze veldmonsters werkte, Lucks zei. "Het is opwindend dat het in het lab werkt, maar het is veel belangrijker om te weten dat het in het veld werkt. We willen dat het een gemakkelijke, praktische oplossing voor mensen die het het hardst nodig hebben. Ons doel is om individuen in staat te stellen de aanwezigheid van fluoride in hun eigen water te controleren."

Hoe het werkt

Hoewel het apparaat eenvoudig te gebruiken is, de voorbereide reageerbuis herbergt een geavanceerde synthetisch-biologische reactie. Lucks heeft jarenlang gewerkt aan het begrijpen van RNA-vouwmechanismen. In zijn nieuwe test hij zet dit vouwmechanisme aan het werk.

"RNA vouwt zich in een klein zakje en wacht op een fluoride-ion, ' legde hij uit. 'Het ion past perfect in die zak. Als het ion verschijnt, then RNA expresses a gene that turns the water yellow. If the ion doesn't show up, then RNA changes shape and stops the process. It's literally a switch."

According to Lucks, organisms already perform this function in nature. "Fluoride is toxic to bacteria, " he said. "They use RNA to sense fluoride in the cell, then they make a protein to pump it out and detoxify."

Lucks' system works in the same way. But instead of producing a protein pump, his test produces a protein enzyme that makes a yellow pigment, so people can see the results with a simple glance.

Lucks' team freeze-dried the RNA reaction, which looks like a tiny cotton ball, and put it into a test tube. In this form, the reaction is safe and shelf-stable. A small pipette accompanies the test tube. When placed in water, the pipette absorbs exactly 20 microliters—just the small drop that's needed to rehydrate the reaction. Vanaf daar, it takes two hours to get a result, which Lucks intends to accelerate in future iterations.

"We're currently limited to testing for fluoride, " said Thavarajah, the paper's first author. "But we're trying to engineer other RNAs to detect all sorts of targets."