Att hitta ett snabbt och billigt sätt att upptäcka specifika stammar av bakterier och virus är avgörande för livsmedelssäkerhet, vattenkvalitet, miljöskydd och människors hälsa. Dock, nuvarande metoder för att upptäcka sjukdomsframkallande stammar av bakterier som t.ex E coli kräver antingen tidsintensiva biologiska cellkulturer eller DNA-amplifieringsmetoder som är beroende av dyr laboratorieutrustning.

Nu, Josh Hihath, en docent i el- och datorteknik vid University of California, Davis, och kollegor vid University of Washington och TOBB University of Economics and Technology i Ankara, Turkiet har anpassat en molekylär elektronisk enhet som kallas en enkelmolekylär brytpunkt för att detektera RNA från stammar av E coli känd för att orsaka sjukdom. Resultaten publicerades online idag (5 november) i tidskriften Naturens nanoteknik .

"De pålitliga, effektiv och billig upptäckt och identifiering av specifika stammar av mikroorganismer som t.ex E coli är en stor utmaning inom biologi och hälsovetenskap, " sa Hihath. "Vår teknik kan bana väg för snabba, enkel upptäckt av patogener, antimikrobiella resistenta bakteriestammar och biomarkörer för cancer."

Hihath och hans team fokuserade på E coli eftersom det är en vanlig patogen som lätt kan hittas i livsmedelsförsörjningen, men kanske inte orsakar sjukdom i godartad form. Den värsta belastningen av E coli , kallad E coli O157:H7, producerar ett giftigt ämne som heter Shiga-toxin som orsakar blodig diarré, njursvikt och till och med dödsfall.

Enmolekylära break junction-enheter består av två metallelektroder med atomärt vassa gränssnitt som bringas i kontakt i en flytande lösning av intresse, såsom en lösning innehållande RNA-sekvenser från E.coli. När elektroderna bringas i kontakt och dras isär, en elektrisk förspänning appliceras och strömmen mäts. Denna process upprepas hundratals eller tusentals gånger för att bestämma konduktansen hos en enda molekyl.

"En av frågorna vi ställde är hur liten förändring i sekvensen som behövs för att orsaka en meningsfull förändring i den elektriska konduktansen?" sa Hihath. "Det minsta vi kan ändra är en bas, så vi bestämde oss för att se om en förändring på en bas kan mätas."

Genom att testa korta sekvenser av RNA bundet till DNA med kemiska länkar, laget undersökte en E coli sekvens som skulle producera Shiga-toxin. Deras resultat visade att förändringar i den elektriska resistansen hos RNA på grund av en enkelbasförändring kunde mätas, vilket skulle tillåta dem att se inte bara om en sekvens var E.coli, men den specifika stam av E.coli som producerar Shiga-toxin.

"Ett system som selektivt kan identifiera korta sekvenser av DNA eller RNA öppnar nya vägar för att utveckla en elektronisk sensorplattform för ett brett spektrum av tillämpningar, " tillägger han. "Så slutligen, vi vill komma till den punkt där vi kan extrahera RNA-prover från verkliga organismer och mäta deras konduktans på en avkänningsplattform."