Elektronischer Sensor, der tote Bakterien vom Leben durch Messen der Osmoregulation unterscheidet

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Anonim

Ein neuer Typ eines elektronischen Sensors, der zur schnellen Erkennung und Klassifizierung von Bakterien für die medizinische Diagnostik und Lebensmittelsicherheit verwendet werden kann, hat eine Schlüsselhürde genommen, indem er zwischen toten und lebenden Bakterienzellen unterscheidet.

Herkömmliche Labortechnologien erfordern, dass Proben für Stunden oder länger kultiviert werden, um genügend Bakterien für die Identifizierung und Analyse zu züchten, beispielsweise um zu bestimmen, welches Antibiotikum verschrieben werden soll. Der neue Ansatz könnte verwendet werden, um Arrays von Hunderten von Sensoren auf einem elektronischen Chip zu erzeugen, wobei jeder Sensor innerhalb von Minuten einen bestimmten Typ von Bakterien erkennt oder die Wirksamkeit bestimmter Antibiotika aufspürt.

"Wir haben einen Schritt in Richtung dieses langfristigen Ziels getan, indem wir gezeigt haben, wie man zwischen lebenden und toten Bakterien unterscheiden kann", sagte Muhammad Ashraful Alam, Jai N. Gupta, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der Purdue University. "Dies ist wichtig, weil Sie in der Lage sein müssen, Bakterien nicht nur zu erkennen und zu identifizieren, sondern auch festzustellen, welche Antibiotika wirksam sind, um sie zu töten."

Die Ergebnisse werden in einer Forschungsarbeit dargelegt, die diese Woche in Proceedings der National Academy of Sciences erscheint. Das Papier wurde von den Doktoranden Aida Ebrahimi und Alam verfasst. Der Tröpfchensensor ist aus einem Gerät hervorgegangen, das ursprünglich für die Detektion kleiner Konzentrationen von negativ geladenen DNA-Molekülen in der Forschung entwickelt wurde, die vor etwa vier Jahren begann, sagte Ebrahimi.

"Wir hatten nicht erwartet, dass der Sensor verwendet werden könnte, um lebende und tote Bakterien voneinander zu unterscheiden - es war eine Zufallsbeobachtung, die uns schließlich zu dieser eleganten Methode zur Messung der Lebensfähigkeit von Zellen führte", sagte sie.

Wie im PNAS-Papier beschrieben, arbeitet der Sensor, indem er Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit in Tröpfchen detektiert, die Bakterienzellen enthalten.

"Um zu sehen, ob jemand lebt", sagte Alam, "können wir die Enkelkinder viele Generationen später zählen, was analog zu den traditionellen Wachstumstechniken ist. Oder wir können den Puls der Person direkt messen, analog zur vorgeschlagenen Osmoregulation "Erkennung von Bakterien. Es ist unnötig zu sagen, dass die sofortige physiologische Messung schneller und weit überlegen ist."

Bakterienzellen behalten den richtigen inneren Druck durch Osmoregulation, ein Prozess, in dem Wasser, Salze und andere Moleküle über die Zellmembrane bewegen. Wenn ein Tropfen auf dem Sensor zu verdampfen beginnt, erkennen die im Tröpfchen enthaltenen Bakterienzellen die zunehmend salzige Umgebung und lösen Notfallventile aus, die osmoregulatorische Transporter in der Zellmembran genannt werden. Die Zellen nehmen dann entweder Wasser oder geladene Moleküle einschließlich Salze auf oder geben sie frei, wodurch die elektrische Leitfähigkeit der umgebenden Flüssigkeit in dem Tröpfchen verändert wird, die durch Elektroden gemessen wird. Diese Änderung der elektrischen Leitfähigkeit variiert je nachdem, ob eine Bakterienzelle tot oder lebendig ist und könnte auch verwendet werden, um bestimmte Arten von Bakterien zu identifizieren, da sie grundlegend unterschiedliche osmoregulatorische Kanäle verwenden.

"Aida hat die Hypothese bewiesen, indem genetisch mutierte Zellen verwendet wurden, die diese osmoregulatorischen Kanäle nicht haben und deshalb weniger effektiv bei der Regulierung der Druckdifferenz sind", sagte Alam.

Die Sensoroberfläche wurde speziell dafür entwickelt, die Form eines Tröpfchens beizubehalten, was für die Technologie entscheidend ist. Zwei weitere Fortschritte, die den Sensor möglich machen, sind die Fähigkeit, die sich ändernde elektrische Leitfähigkeit in dem Tröpfchen zu messen und die Osmoregulation einer Zelle als Basis für die Detektion nutzbar zu machen.

"Am Ende möchten Sie ein neues Werkzeug für die Arzneimittel- und Lebensmittelsicherheit bereitstellen, also müssen Sie in der Lage sein, Bakterien und die richtigen Antibiotika zur Behandlung von Infektionen schnell zu identifizieren", sagte Alam. "Das erfordert ein Verständnis der Dynamik der Zellmembran."

Die Technologie, die mit niedrigen Konzentrationen lebender und toter Formen von E. coli-, Salmonella- und S. epidermidis-Bakterien getestet wurde, wird als markierungsfrei bezeichnet, da es nicht erfordert, dass Proben mit fluoreszierenden Farbstoffen behandelt werden, was sie potenziell macht praktisches Werkzeug für Medizin und Lebensmittelsicherheit. Ein Großteil der Forschung wurde im Birck Nanotechnology Center und im Bindley Bioscience Center im Purdue Discovery Park durchgeführt.

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