Wetenschap
Nieuwe elektrochemische sensor detecteert gevaarlijke bacteriën
Onderzoekers van de Goethe Universiteit Frankfurt en de Universiteit van Kiel hebben een nieuwe sensor ontwikkeld voor de detectie van bacteriën. Het is gebaseerd op een chip met een innovatieve oppervlaktecoating die ervoor zorgt dat alleen zeer specifieke micro-organismen zich aan de sensor hechten, zoals bepaalde ziekteverwekkers.
Hoe groter het aantal organismen, hoe sterker het elektrische signaal dat door de chip wordt gegenereerd. Zo kan de sensor niet alleen gevaarlijke bacteriën met een hoge gevoeligheid detecteren, maar ook de concentratie ervan bepalen. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Applied Materials &Interfaces .
Elk jaar eisen bacteriële infecties wereldwijd enkele miljoenen levens. Daarom is het detecteren van schadelijke micro-organismen cruciaal – niet alleen bij de diagnose van ziekten, maar bijvoorbeeld ook bij de voedselproductie. De tot nu toe beschikbare methoden zijn echter vaak tijdrovend, vereisen dure apparatuur of kunnen alleen door specialisten worden gebruikt. Bovendien kunnen ze vaak geen onderscheid maken tussen actieve bacteriën en hun vervalproducten.
De nieuw ontwikkelde methode detecteert daarentegen alleen intacte bacteriën. Het maakt gebruik van het feit dat micro-organismen alleen bepaalde lichaamscellen aanvallen, die ze herkennen aan de specifieke structuur van de suikermoleculen.
Deze matrix, bekend als de glycocalyx, verschilt afhankelijk van het type cel. Het dient als het ware als identificatie voor de lichaamscellen. Dit betekent dat we, om een specifieke bacterie te vangen, alleen maar de herkenbare structuur in de glycocalyx van de gastheercel van zijn voorkeur hoeven te kennen en deze vervolgens als 'aas' te gebruiken.
Dit is precies wat de onderzoekers hebben gedaan. "In ons onderzoek wilden we een specifieke stam van de darmbacterie Escherichia coli, of kortweg E. coli, detecteren", legt professor Andreas Terfort van het Instituut voor Anorganische en Analytische Chemie aan de Goethe Universiteit in Frankfurt uit.
“We wisten welke cellen de ziekteverwekker doorgaans infecteert. Hiermee hebben we onze chip bedekt met een kunstmatige glycocalyx die het oppervlak van deze gastheercellen nabootst. Op deze manier hechten alleen bacteriën van de beoogde E. coli-stam zich aan de sensor.”
E. coli heeft veel korte armen, bekend als pili, die de bacterie gebruikt om de glycocalyx van zijn gastheer te herkennen en zich eraan vast te klampen. "De bacteriën gebruiken hun pili om zich op meerdere plekken aan de sensor te binden, waardoor ze zich bijzonder goed kunnen hechten", zegt Terfort.
Bovendien is de chemische structuur van de kunstmatige glycocalyx zodanig dat microben zonder de juiste armen eraf glijden – als een ei uit een goed ingevette koekenpan. Dit zorgt ervoor dat inderdaad alleen de pathogene E. coli bacteriën behouden blijven.
Maar hoe konden de wetenschappers bevestigen dat bacteriën werkelijk aan de kunstmatige glycocalyx gehecht waren? "We hebben de suikermoleculen aan een geleidend polymeer gebonden", legt Sebastian Balser uit, een doctoraal onderzoeker onder professor Terfort en de eerste auteur van het artikel. "Door via deze 'draden' een elektrische spanning aan te leggen, kunnen we aflezen hoeveel bacteriën zich aan de sensor hadden gehecht."
De studie documenteert hoe effectief dit is:de onderzoekers mengden ziekteverwekkers van de beoogde E. coli-stam onder onschadelijke E. coli-bacteriën in verschillende concentraties. “Onze sensor kon de schadelijke micro-organismen zelfs in zeer kleine hoeveelheden detecteren”, legt Terfort uit. "Bovendien:hoe hoger de concentratie van de beoogde bacteriën, hoe sterker de uitgezonden signalen."
Het artikel is het eerste bewijs dat de methode werkt. In een volgende stap willen de betrokken werkgroepen onderzoeken of het ook in de praktijk de toets kan doorstaan. Toepassing ervan is bijvoorbeeld denkbaar in regio's waar geen ziekenhuizen met geavanceerde laboratoriumdiagnostiek aanwezig zijn.