Att använda ett enda atomtjockt ark grafen för att spåra de elektroniska signalerna som är inneboende i biologiska strukturer, ett team ledd av forskare från Boston College har utvecklat en plattform för att selektivt identifiera dödliga bakteriestammar, ett framsteg som kan leda till mer exakt målinriktning av infektioner med lämpliga antibiotika, laget rapporterade i journalen Biosensorer och bioelektronik .

Prototypen visar den första selektiva, snabb, och billig elektrisk upptäckt av den patogena bakteriearten Staphylococcus aureus och antibiotikaresistenta Acinetobacter baumannii på en enda plattform, sa Boston College professor i fysik Kenneth Burch, en huvudförfattare till tidningen.

Den snabba ökningen av antibiotikaresistenta patogena bakterier har blivit ett globalt hot, till stor del på grund av överförskrivning av antibiotika. Detta drivs till stor del av bristen på snabba, billig, skalbar, och noggrann diagnostik, enligt medförfattare och Boston College docent i biologi Tim van Opijnen.

Särskilt avgörande är att identifiera bakteriearten och om den är resistent mot antibiotika, och att göra det på en plattform som lätt kan hanteras på de flesta vårdplatser. För närvarande är sådan diagnostik relativt långsam – från timmar till dagar – kräver omfattande expertis, och mycket dyr utrustning.

BC-forskarna, arbeta med kollegor från Boston University, utvecklat en sensor, känd som en grafenfälteffekttransistor (G-FET), som kan övervinna kritiska brister i tidigare upptäcktsinsatser eftersom det är en mycket skalbar plattform som använder peptider, kedjor av flera länkade aminosyror, som är billiga och lättanvända kemiska medel, enligt medförfattare och BC professor i kemi Jianmin Gao.

Teamet tänkte visa att det kunde konstruera en enhet som "snabbt kan upptäcka närvaron av specifika bakteriestammar och arter, utnyttjar den stora mängden elektrisk laddning på deras yta och förmågan att fånga dem med syntetiska peptider av vår egen design, sa Burch.

Initiativet byggde på tidigare forskning av van Opijnen och Gao, som tidigare hittade peptider var mycket selektiva, men krävde vid den tiden dyra fluorescensmikroskop för att kunna upptäcka dem. Förutom Burch, Gao, och van Opijnen, de ledande medförfattarna till artikeln inkluderade Boston University biträdande professor i kemi Xi Ling.

Teamet modifierade befintliga peptider så att de kunde fästa till grafen, ett enda atomlager av kol. Peptiderna designades för att binda till specifika bakterier, avvisa alla andra. I huvudsak, G-FET kan övervaka den elektriska laddningen på grafen, samtidigt som den utsätts för olika biologiska ämnen.

På grund av peptidernas selektivitet, forskarna kunde peka ut deras koppling till den önskade bakteriestammen, teamet rapporterade i artikeln "Dielektrofores assisterade snabbt, selektiv och encellsdetektion av antibiotikaresistenta bakterier med G-FET." Genom att elektriskt övervaka resistensen och, i sista hand, ladda på enheten, närvaron av bakterier fästa till grafen kan lösas, även för bara en enda cell.

För att möjliggöra högre hastighet och hög känslighet, ett elektriskt fält placerades på vätskan för att driva bakterierna till enheten, återigen utnyttjar laddningen på bakterierna, laget rapporterade. Denna process, känd som dielektrokfores, hade aldrig tidigare applicerats på grafenbaserade sensorer och skulle potentiellt kunna öppna dörren för att dramatiskt förbättra ansträngningarna inom det området för att använda grafen för biosensing, laget rapporterade.

"Vi blev förvånade över hur väl bakterierna styrdes elektriskt till enheterna, ", sa Burch. "Vi trodde att det skulle minska den nödvändiga tiden och den nödvändiga koncentrationen något. Istället, det fungerade så bra att det elektriska fältet kunde få ner den nödvändiga koncentrationen av bakterier med en faktor 1000, och minska tiden till detektion till fem minuter."