Grafen understøtter en ny platform til selektivt at identificere dødelige bakteriestammer

Ved at bruge et enkelt atomtykt ark grafen til at spore de elektroniske signaler, der er iboende i biologiske strukturer, et hold ledet af Boston College-forskere har udviklet en platform til selektivt at identificere dødelige bakteriestammer, et fremskridt, der kunne føre til mere præcis målretning af infektioner med passende antibiotika, holdet rapporterede i journalen Biosensorer og bioelektronik .

Prototypen demonstrerer den første selektive, hurtig, og billig elektrisk påvisning af den patogene bakterieart Staphylococcus aureus og antibiotikaresistente Acinetobacter baumannii på en enkelt platform, sagde Boston College professor i fysik Kenneth Burch, en ledende medforfatter af papiret.

Den hurtige stigning i antibiotikaresistente patogene bakterier er blevet en global trussel, i høj grad på grund af overrecept af antibiotika. Dette er i høj grad drevet af manglen på hurtige, billig, skalerbar, og præcis diagnostik, ifølge medforfatter og Boston College Associate Professor of Biology Tim van Opijnen.

Særligt afgørende er at identificere bakteriearten og om den er resistent over for antibiotika, og at gøre det på en platform, der let kan betjenes på de fleste plejepunkter. I øjeblikket er en sådan diagnostik relativt langsom - tager fra timer til dage - kræver omfattende ekspertise, og meget dyrt udstyr.

BC-forskerne, arbejde med kolleger fra Boston University, udviklet en sensor, kendt som en grafenfelteffekttransistor (G-FET), der kan overvinde kritiske mangler ved tidligere detektionsbestræbelser, da det er en meget skalerbar platform, der anvender peptider, kæder af flere forbundne aminosyrer, som er billige og nemme at bruge kemiske midler, ifølge medforfatter og BC professor i kemi Jianmin Gao.

Holdet satte sig for at vise, at det kunne konstruere en enhed, der "hurtigt kan detektere tilstedeværelsen af ​​specifikke bakteriestammer og arter, udnytter den store mængde elektrisk ladning på deres overflade og evnen til at fange dem med syntetiske peptider af vores eget design, " sagde Burch.

Initiativet byggede på tidligere forskning fra van Opijnen og Gao, som tidligere fandt peptider var meget selektive, men på det tidspunkt krævede dyre fluorescensmikroskoper til deres påvisning. Ud over Burch, Gao, og van Opijnen, de ledende medforfattere af papiret omfattede Boston University assisterende professor i kemi Xi Ling.

Holdet modificerede eksisterende peptider for at give dem mulighed for at binde sig til grafen, et enkelt atomart kulstoflag. Peptiderne blev designet til at binde sig til specifikke bakterier, afvise alle andre. I det væsentlige, G-FET er i stand til at overvåge den elektriske ladning på grafen, mens den udsættes for forskellige biologiske agenser.

På grund af peptidernes selektivitet, forskerne var i stand til at lokalisere deres tilknytning til den ønskede bakteriestamme, holdet rapporterede i artiklen "Dielektroforese hjalp hurtigt, selektiv og enkeltcelledetektering af antibiotikaresistente bakterier med G-FET'er." Ved elektrisk overvågning af resistens og, ultimativt, opladning på enheden, tilstedeværelsen af ​​bakterier bundet til grafen kunne løses, selv for kun en enkelt celle.

For at muliggøre større hastighed og høj følsomhed, et elektrisk felt blev placeret på væsken for at drive bakterierne til enheden, igen udnytter ladningen på bakterierne, holdet rapporterede. denne proces, kendt som dielektrokforese, havde aldrig tidligere været anvendt på grafenbaserede sensorer og kunne potentielt åbne døren til en dramatisk forbedring af indsatsen på dette område for at anvende grafen til biosensing, holdet rapporterede.

"Vi var overraskede over, hvor godt bakterierne blev elektrisk styret til enhederne, " sagde Burch. "Vi troede, det ville reducere den nødvendige tid og den nødvendige koncentration. I stedet, det fungerede så godt, at det elektriske felt var i stand til at bringe den nødvendige koncentration af bakterier ned med en faktor 1000, og reducere tiden til detektion til fem minutter."