حسگر زیستی جدید، خود را نیرو می‌دهد، باکتری‌ها را شناسایی می‌کند

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، تیمی از محققان یک حسگر زیستی جدید خود را توسعه داده‌اند که می‌تواند باکتری اشریشیا کلی (E. coli) را در آب آشامیدنی شناسایی کرده و آنها را در محل (در محل) از بین ببرد. این کشف می‌تواند پیامد‌های بسیار زیادی برای تامین آب آشامیدنی سالم در سراسر جهان داشته باشد.

روش‌های سنتی، مانند کشت یا واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR)، زمان‌بر و کار فشرده هستند. آنها همچنین به تجهیزات تخصصی و کارکنان آموزش دیده نیاز دارند.

حسگر‌های زیستی (دستگاه‌هایی که از موجودات زنده یا مولکول‌های بیولوژیکی استفاده می‌کنند) سریع‌تر هستند، اما برای عملکرد به منابع انرژی خارجی نیاز دارند. آنها همچنین تمایل آزاردهنده‌ای برای تنزل در طول زمان دارند. با این حال، حسگر جدید بسیاری از این مسائل را با استفاده از سه جزء اصلی برای تولید انرژی خود برطرف می‌کند.

اولی، یک سلول سوخت زیستی آنزیمی (EBFC)، با استفاده از آنزیم‌ها برای تولید الکتریسیته از واکنش‌های بیوشیمیایی، انرژی را برای حسگر فراهم می‌کند. از گلوکز اکسیداز (GOx) برای تجزیه گلوکز، تولید الکترون (الکتریسیته) و پراکسید هیدروژن استفاده می‌کند. با این حال، این آنزیم به مرور زمان ثبات خود را از دست می‌دهد.

برای حل این مشکل، تیم آن را در یک چارچوب توخالی فلزی-آلی (MOF) به نام ZIF-۸ کپسوله کرد که در طول زمان از آسیب محافظت می‌کند و کارایی و پایداری را در شرایط مختلف حفظ می‌کند.

مورد دوم استفاده از آنتی بادی‌هایی به نام آپتامر در حسگر زیستی است. این رشته‌های کوتاه DNA می‌توانند به طور خاص به قسمت‌های بیرونی E. coli متصل شوند. به گفته این تیم، آپتامر‌ها به نانوذرات نقره (AgNPs) مرتبط هستند که مانع از رسیدن گلوکز به آنزیم می‌شوند تا زمانی که E. coli شناسایی شود.

هنگامی که E.coli وجود دارد، آپتامر به آن متصل می‌شود و واکنشی به سد سیلیسی ایجاد می‌کند و اجازه می‌دهد گلوکز به آنزیم برسد. واکنش اکسیداسیون الکترون تولید می‌کند و یک سیگنال الکتریکی تولید می‌کند که حضور باکتری را تایید می‌کند.

جزء سوم یک مکانیسم حذف باکتری است که هر سلول E. coli را که حسگر پیدا می‌کند از بین می‌برد. این با استفاده از دوز هدفمند پراکسید هیدروژن، محصول جانبی سلول سوخت زیستی حسگر به دست می‌آید. این نانوذرات نقره را اکسید می‌کند و یون‌های نقره (Ag+) را آزاد می‌کند که به‌خاطر خواص ضد باکتریایی‌شان مشهور است. آنها به قدری مؤثر هستند که می‌توانند ۹۹.۹ درصد باکتری‌ها را تنها در چند ساعت از بین ببرند.

کارآمد و پایدار

محققان گزارش می‌دهند که حسگر جدید بسیار حساس است و قادر است باکتری E. coli را در غلظت‌های بسیار کم (۳ CFU/mL) تشخیص دهد. همچنین دارای یک مکانیسم مونتاژ کاتالیزوری (CHA) است که سیگنال را با تشکیل ساختار‌های DNA دو رشته‌ای تقویت می‌کند که بازخوانی الکتریکی را افزایش می‌دهد.

هنگام آزمایش، بیوسنسور جدید با موفقیت E. coli را از سایر باکتری‌ها مانند استافیلوکوکوس اورئوس و سالمونلا متمایز کرد. همچنین مشخص شد که حتی چند روز پس از ذخیره‌سازی، در استفاده‌های متعدد همچنان کاربردی باقی می‌ماند. پس از آزمایش بر روی نمونه‌های واقعی آب دریا، دقت تشخیص ۹۱.۰۶ ٪ تا ۱۰۱.۹ ٪ را نشان داد در حالی که عملکرد ۹۰ ٪ را پس از پنج دوره استفاده حفظ کرد.

توجه به این نکته مهم است که در حالی که نتایج امیدوارکننده هستند، این مطالعه همچنین سوالاتی را در مورد مقیاس پذیری و قابلیت استفاده طولانی مدت ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، یون‌های نقره، در حالی که در کشتن باکتری‌ها موثر هستند، می‌توانند در محیط تجمع کنند و به طور بالقوه به میکروب‌های مفید آسیب برسانند. برای این منظور، تحقیقات آینده برای کشف مکانیسم‌های آزادسازی کنترل‌شده برای به حداقل رساندن اثرات زیست‌محیطی و در عین حال حفظ کارایی ضد میکروبی ضروری است.

این مطالعه در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است.