Livsfarlige bakterier genkendes via små elektronskyer

Videnskabelige nybrud 28. jan 2022 3 min Professor Ivan Mijakovic Skrevet af Morten Busch

Når sårbare mennesker angribes af livstruende infektioner på hospitaler, er tid den afgørende faktor for overlevelse. Derfor arbejder forskere intensivt på at finde hurtigere og mere sikre metoder til at genkende bakterier. Mirakelmaterialet grafen menes at være særligt godt til biosensorer og diagnostik. En forskergruppe har nu vist, at de med todimensionelle kulstoflag ultrahurtigt kan skelne mellem forskellige typer af bakterier. Jagten er nu gået ind på at gøre sensorerne følsomme nok.

Interesseret i Videnskabelige nybrud? Vi kan holde dig opdateret helt gratis

1 ud af 5 dødsfald på verdensplan skyldes sepsis – det voldsomme immunrespons og kredsløbskollaps, der kan opstå, når kroppen angribes af en infektion. Rammes man af tilstanden, mens man er indlagt på et hospital, er det ekstra alvorligt. 3 ud af 10 dør, bl.a. fordi det tager for lang tid at finde frem til, hvilken mikroorganisme der har forårsaget infektionen, så man hurtigt kan sætte en effektiv behandling i værk. Det tager i dag timer, men der er håb for, at udviklingen indenfor ny sensorteknologi kan forkorte den tid markant.

”I vores nye studie har vi udviklet en simpel prototypesensor kun bestående af grafen. Ved at måle bittesmå ændringer i stoffets elektriske modstand lykkedes det os at se forskel forskellige bakterietyper. Prototypen demonstrerer, hvordan materialet på en hurtig og simpel måde kan skelne mellem to typer af bakterier. Vi arbejder nu på at finde de egenskaber, der karakteriserer de bakterier, der hyppigst forårsager sepsis i sundhedssystemet. Ud fra det vil vi modificere grafensensorerne, så de kan blive følsomme nok til at hjælpe på hospitaler,” fortæller Ivan Mijakovic, der er professor på Chalmers University of Technology i Göteborg, Sverige og Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability

Prototype med potentiale

Interessen for udvikling af biosensorers påvisning af patogene bakterier og vira er hastigt voksende. Især nanomaterialer som grafen får stor opmærksomhed – dels på grund af deres særlig overfladeegenskaber og elektriske ledningsevne, der gør det muligt at lave ekstremt små og sensitive sensorer. Grafen er et todimensionelt ark af carbonatomer arrangeret i et bikubeagtigt gitter, der giver det en enormt stor og dermed også ekstrafølsom overflade.

”De har en sfære af elektroner over og under det ultratynde kulstoflag. Så hvis du sætter elektroder i to ender af grafen, kan du måle elektrisk modstand, hvilket gør overfladen følsom over for alt, der nærmer sig. I vores nye studie viser vi – til vores egen store overraskelse – at den er så følsom, at vi ikke bare via det elektriske signal kan se, om der er bakterier, men også skelne mellem forskellige slags bakterier i et vist omfang,” siger Ivan Mijakovic.

Bakterieceller varierer både i størrelse fra 0,5 til 5 µm, og i forskellige former – kugler, stave, spiraler. Derudover er de fleste bakterieceller indkapslet af en cellevæg bestående af sukker og små proteinbidder. Det lag er lidt tykkere hos de såkaldte ​​gram-positive bakterier og tyndere hos gram-negative bakterier.

”Det er først og fremmest en prototype til at vise potentialet i sensorer af den her type. Uden at have gjort noget som helst ved grafen-overfladen kan vi altså skelne, om der er bakterier, og skelne disse små forskelle i deres overflade. Det kunne selvfølgelig være relevant som sensor på overflader, som skal holdes helt bakteriefri som fx implantater i kroppen, men det her er mere et proof-of-principle. Det kan lade sig gøre, og nu tager vi det så et skridt videre,” siger Santosh Pandit, professor på Chalmers University of Technology i Göteborg, Sverige.

Superspecifikt og superhurtigt

Prototype-studiet er derfor også kun første skridt i et stort europæisk projekt, hvor vi målet er at udvikle sensorer, der hurtig og præcist kan identificere de patogene bakterier, der udgør det største problem i sundhedsvæsenet i øjeblikket.

”I nogle sammenhænge, ​​i den menneskelige krop, er der tusindvis af arter, de fleste faktisk harmløse eller ofte gavnlige. Og der skal vi være i stand til at skelne, så til det formål skal du finde ud af, hvordan du kan have en form for funktionalisering af grafenoverfladen med et biologisk molekyle eller et antistof eller andre receptorer, der kan binde til specifikke mikroorganismer og kun til de organismer,” forklarer Santosh Pandit.

Derfor samarbejder forskerne i det internationale projekt med hospitaler for at indsamle de mest relevante og problematiske patogener.

”Og så gør vi det, at vi ”barberer” overfladen af ​​disse bakterier for at finde ud af, hvilke proteiner og biomarkører, der kendetegner hver enkelt af dem. Så kan vi enten rejse antistoffer mod de peptider eller bygge små organiske kemiske receptorer for disse overflademolekyler, som vi gør i vores samarbejde med professor Nina Kann fra Chalmers,” fortæller Santosh Pandit.

Med de forskelligartede typer af strategier håber forskerne at videreudvikle prototypeversionen af grafen-sensoren til langt mere avancerede chips.

”Hospitaler leder efter noget, der er både superspecifikt og superhurtigt. Når vi lykkes med denne teknologi ville vi kunne gå fra timer til måske minutter, så de kan reagere hurtigere og dermed redde flere liv. Det første mål er derfor de bakterier, der forårsager sepsis på hospitalerne og dermed truer livet hos de mest berørte patienter, men det er klart, at når vi har teknologien færdigudviklet, så sigter vi også efter at bruge den til mindre presserende behov som f.eks. kroniske infektioner eller i implantater,” slutter Ivan Mijakovic.

Graphene-based sensor for detection of bacterial pathogens” er udgivet i Sensors. Forskningen er finansieret af bevillinger til Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability på Danmarks Tekniske Universitet, hvor Ivan Mijakovic er professor, samt fra Danmark Frie Forskningsfond.

The work in our lab is driven by scientific curiosity: we seek to understand and describe how biology works. We sometimes also modify and engineer bio...

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020