Forskare vid Goethe University Frankfurt och Kiel University har utvecklat en ny sensor för detektering av bakterier. Den är baserad på ett chip med en innovativ ytbeläggning som säkerställer att endast mycket specifika mikroorganismer fäster vid sensorn – som vissa patogener.

Ju större antal organismer, desto starkare är den elektriska signalen som genereras av chipet. På så sätt kan sensorn inte bara upptäcka farliga bakterier med hög känslighet utan också bestämma deras koncentration. Forskningen är publicerad i tidskriften ACS Applied Materials &Interfaces .

Varje år kräver bakterieinfektioner flera miljoner liv världen över. Det är därför det är avgörande att upptäcka skadliga mikroorganismer — inte bara vid diagnos av sjukdomar utan även vid till exempel livsmedelsproduktion. De metoder som finns tillgängliga hittills är dock ofta tidskrävande, kräver dyr utrustning eller kan endast användas av specialister. Dessutom kan de ofta inte skilja på aktiva bakterier och deras sönderfallsprodukter.

Den nyutvecklade metoden upptäcker däremot endast intakta bakterier. Den använder sig av det faktum att mikroorganismer bara angriper vissa kroppsceller, som de känner igen från den senares specifika sockermolekylstruktur.

Denna matris, känd som glykokalyxen, skiljer sig beroende på typ av cell. Det fungerar så att säga som en identifierare för kroppscellerna. Detta innebär att för att fånga en specifik bakterie behöver vi bara känna till den igenkännbara strukturen i glykokalyxen hos dess föredragna värdcell och sedan använda denna som "bete".

Det är precis vad forskarna har gjort. "I vår studie ville vi upptäcka en specifik stam av tarmbakterien Escherichia coli – eller E. coli förkortat", förklarar professor Andreas Terfort från Institutet för oorganisk och analytisk kemi vid Goethe-universitetet i Frankfurt.

"Vi visste vilka celler patogenen vanligtvis infekterar. Vi använde detta för att belägga vårt chip med en artificiell glykokalyx som efterliknar ytan på dessa värdceller. På så sätt fäster bara bakterier från den riktade E. coli-stammen till sensorn."

E. coli har många korta armar, så kallade pili, som bakterien använder för att känna igen värdens glykokalyx och hålla fast vid den. "Bakterierna använder sina pili för att binda till sensorn på flera ställen, vilket gör att de kan hänga på särskilt bra", säger Terfort.

Dessutom är den konstgjorda glykokalyxens kemiska struktur sådan att mikrober utan de högra armarna glider av den – som ett ägg från en välsmord stekpanna. Detta säkerställer att endast de patogena E. coli-bakterierna behålls.

Men hur kunde forskarna bekräfta att bakterier verkligen var fästa vid den artificiella glykokalyxen? "Vi band sockermolekylerna till en ledande polymer", förklarar Sebastian Balser, doktorandforskare under professor Terfort och den första författaren till artikeln. "Genom att lägga på en elektrisk spänning via dessa 'ledningar' kan vi avläsa hur många bakterier som hade bundit sig till sensorn."

Studien dokumenterar hur effektivt detta är:Forskarna blandade patogener från den riktade E. coli-stammen bland ofarliga E. coli-bakterier i olika koncentrationer. "Vår sensor kunde detektera de skadliga mikroorganismerna även i mycket små mängder", förklarar Terfort. "Dessutom, ju högre koncentrationen av de riktade bakterierna är, desto starkare är de utsända signalerna."

Papperet är ett första bevis på att metoden fungerar. I nästa steg vill de inblandade arbetsgrupperna undersöka om den även i praktiken klarar provet. Att använda det i regioner där det inte finns några sjukhus med sofistikerad labbdiagnostik är till exempel tänkbart.

Mer information: Sebastian Balser et al, Selektiv kvantifiering av bakterier i blandningar genom att använda glykosylerade polypyrrol/hydrogel nanolager, ACS Applied Materials &Interfaces (2024). DOI:10.1021/acsami.3c14387

Journalinformation: ACS-tillämpade material och gränssnitt

Tillhandahålls av Goethe University Frankfurt am Main