Графеновая платформа для селективного выявления смертельно опасных штаммов бактерий
Используя одноатомный слой графена для отслеживания электронных сигналов, присущих биологическим структурам, группа исследователей под руководством учёных из Бостонского колледжа разработала платформу для селективной идентификации смертельно опасных штаммов бактерий. Этот прогресс может привести к более точному подбору антибиотиков для лечения инфекций. Результаты опубликованы в журнале Biosensors and Bioelectronics.
Прототип демонстрирует первую селективную, быструю и недорогую электрическую детекцию патогенных видов бактерий Staphylococcus aureus и устойчивого к антибиотикам Acinetobacter baumannii на единой платформе, сообщил профессор физики Бостонского колледжа Кеннет Бёрч, ведущий соавтор статьи.
Быстрый рост числа устойчивых к антибиотикам патогенных бактерий стал глобальной угрозой, во многом из-за чрезмерного назначения антибиотиков. Это в значительной степени обусловлено отсутствием быстрых, дешёвых, масштабируемых и точных методов диагностики, отметил соавтор, доцент биологии Бостонского колледжа Тим ван Опейнен.
Особенно важно идентифицировать вид бактерий и их устойчивость к антибиотикам на платформе, которой можно легко пользоваться в большинстве пунктов оказания медицинской помощи. В настоящее время такие методы диагностики относительно медленные (занимают от нескольких часов до дней), требуют высокой квалификации и очень дорогостоящего оборудования.
Исследователи из Бостонского колледжа совместно с коллегами из Бостонского университета разработали сенсор, известный как графеновый полевой транзистор (G-FET), который может преодолеть ключевые недостатки предыдущих попыток детекции. Это высокомасштабируемая платформа, использующая пептиды — цепочки из множества связанных аминокислот, которые являются недорогими и простыми в использовании химическими агентами, пояснил соавтор, профессор химии Бостонского колледжа Цзяньминь Гао.
Команда стремилась показать, что может создать устройство, способное «быстро обнаруживать присутствие конкретных штаммов и видов бактерий, используя большой электрический заряд на их поверхности и возможность захватывать их с помощью синтетических пептидов собственной разработки», сказал Бёрч.
Инициатива основывалась на более ранних исследованиях ван Опейнена и Гао, которые ранее обнаружили, что пептиды обладают высокой селективностью, но в то время для их детекции требовались дорогие флуоресцентные микроскопы. Ведущими соавторами статьи также выступили доцент химии Бостонского университета Си Лин.
Команда модифицировала существующие пептиды, чтобы позволить им прикрепляться к графену — одноатомному слою углерода. Пептиды были разработаны для связывания со специфическими бактериями, игнорируя все остальные. По сути, G-FET способен отслеживать электрический заряд на графене, одновременно подвергая его воздействию различных биологических агентов.
Благодаря селективности пептидов исследователи смогли точно определить их присоединение к целевому бактериальному штамму, о чём сообщалось в статье «Диэлектрофорез-ассистированная быстрая, селективная и одноклеточная детекция устойчивых к антибиотикам бактерий с помощью G-FET». Путем электрического мониторинга сопротивления и, в конечном итоге, заряда на устройстве можно было зафиксировать присутствие бактерий, прикреплённых к графену, даже для одной-единственной клетки.
Для обеспечения большей скорости и высокой чувствительности на жидкость было наложено электрическое поле, чтобы направить бактерии к устройству, снова используя заряд на бактериях. Этот процесс, известный как диэлектрофорез, ранее никогда не применялся к графеновым сенсорам и потенциально может открыть путь к значительному улучшению усилий в этой области по использованию графена для биосенсинга.
«Мы были удивлены тем, насколько хорошо бактерии электрически направлялись к устройствам, — сказал Бёрч. — Мы думали, что это лишь несколько сократит необходимое время и требуемую концентрацию. Вместо этого это сработало так хорошо, что электрическое поле позволило снизить необходимую концентрацию бактерий в 1000 раз и сократить время обнаружения до пяти минут».