Met behulp van een enkele atoomdikke laag grafeen om de elektronische signalen te volgen die inherent zijn aan biologische structuren, een team onder leiding van Boston College-onderzoekers heeft een platform ontwikkeld om selectief dodelijke bacteriestammen te identificeren, een vooruitgang die zou kunnen leiden tot een nauwkeuriger gerichte bestrijding van infecties met geschikte antibiotica, rapporteerde het team in het journaal Biosensoren en bio-elektronica .

Het prototype demonstreert de eerste selectieve, snel, en goedkope elektrische detectie van de pathogene bacteriesoort Staphylococcus aureus en antibioticaresistente Acinetobacter baumannii op één enkel platform, zei Boston College hoogleraar natuurkunde Kenneth Burch, een hoofd co-auteur van het papier.

De snelle toename van antibioticaresistente pathogene bacteriën is een wereldwijde bedreiging geworden, grotendeels te wijten aan het overmatig voorschrijven van antibiotica. Dit wordt grotendeels veroorzaakt door het gebrek aan snelle, goedkoop, schaalbaar, en nauwkeurige diagnostiek, aldus co-auteur en Boston College Associate Professor of Biology Tim van Opijnen.

Vooral cruciaal is het identificeren van de bacteriesoort en of deze resistent is tegen antibiotica, en dit te doen op een platform dat gemakkelijk kan worden bediend op de meeste zorgpunten. Momenteel zijn dergelijke diagnostieken relatief traag - die van uren tot dagen duren - vereisen uitgebreide expertise, en zeer dure apparatuur.

De BC-onderzoekers, werken met collega's van Boston University, ontwikkelde een sensor, bekend als een grafeen-veldeffecttransistor (G-FET), dat kritieke tekortkomingen van eerdere detectie-inspanningen kan overwinnen, aangezien het een zeer schaalbaar platform is dat gebruik maakt van peptiden, ketens van meerdere gekoppelde aminozuren, die goedkope en gemakkelijk te gebruiken chemische middelen zijn, volgens co-auteur en BC hoogleraar chemie Jianmin Gao.

Het team wilde laten zien dat het een apparaat zou kunnen bouwen dat "snel de aanwezigheid van specifieke bacteriestammen en soorten kan detecteren, het benutten van de grote hoeveelheid elektrische lading op hun oppervlak en het vermogen om ze te vangen met synthetische peptiden van ons eigen ontwerp, ' zei Burch.

Het initiatief bouwde voort op het eerdere onderzoek van Van Opijnen en Gao, die eerder ontdekten dat peptiden zeer selectief waren, maar in die tijd waren er dure fluorescentiemicroscopen nodig voor hun detectie. Naast Burch, Gao, en van Opijnen, de leidende co-auteurs van het artikel waren onder meer Boston University Assistant Professor of Chemistry Xi Ling.

Het team heeft bestaande peptiden aangepast zodat ze zich aan grafeen kunnen hechten, een enkele atomaire laag koolstof. De peptiden zijn ontworpen om te binden aan specifieke bacteriën, alle anderen afwijzen. In essentie, de G-FET kan de elektrische lading op het grafeen volgen, terwijl het wordt blootgesteld aan verschillende biologische agentia.

Door de selectiviteit van de peptiden, konden de onderzoekers hun gehechtheid aan de gewenste bacteriestam lokaliseren, rapporteerde het team in het artikel "Diëlektroforese hielp snel, selectieve en eencellige detectie van antibioticaresistente bacteriën met G-FET's." Door de resistentie elektrisch te bewaken en, uiteindelijk, opladen op het apparaat, de aanwezigheid van bacteriën gehecht aan grafeen kan worden opgelost, zelfs voor slechts een enkele cel.

Om een ​​hogere snelheid en hoge gevoeligheid mogelijk te maken, er werd een elektrisch veld op de vloeistof geplaatst om de bacteriën naar het apparaat te drijven, opnieuw gebruik makend van de lading op de bacteriën, meldde het team. Dit proces, bekend als diëlektrische forese, was nog nooit eerder toegepast op op grafeen gebaseerde sensoren en zou mogelijk de deur kunnen openen voor een drastische verbetering van de inspanningen op dat gebied om grafeen te gebruiken voor biosensing, meldde het team.

"We waren verrast hoe goed de bacteriën elektrisch naar de apparaten werden geleid, " zei Burch. "We dachten dat het de benodigde tijd en concentratie enigszins zou verminderen. In plaats daarvan, het werkte zo goed dat het elektrische veld in staat was om de benodigde concentratie van bacteriën met een factor 1000 te verlagen, en verkort de tijd tot detectie tot vijf minuten."