Ученые разработали биосенсор, способный не только обнаруживать бактерии кишечной палочки (Escherichia coli, E. coli) в питьевой воде, но и уничтожать их непосредственно на месте. Это может стать важным шагом в обеспечении безопасной питьевой водой по всему миру.
Традиционные методы обнаружения бактерий, такие как культивирование или полимеразная цепная реакция (ПЦР), требуют значительных временных затрат, специального оборудования и квалифицированного персонала. Биосенсоры, использующие биологические молекулы, работают быстрее, но обычно нуждаются во внешних источниках энергии и со временем теряют эффективность. Новый биосенсор решает эти проблемы благодаря уникальной конструкции, состоящей из трех ключевых компонентов, которые позволяют ему самостоятельно генерировать энергию.
Три компонента
Первый компонент — это ферментный топливный элемент (EBFC), который обеспечивает энергию для работы сенсора. Он использует фермент глюкозооксидазу (GOx) для расщепления глюкозы, в результате чего вырабатываются электроны (электричество) и перекись водорода. Однако со временем этот фермент теряет стабильность. Чтобы решить эту проблему, исследователи заключили его в металло-органический каркас (MOF) под названием ZIF-8, который защищает фермент от повреждений и сохраняет его эффективность в различных условиях.
Второй компонент — это аптамеры, короткие цепочки ДНК, которые способны специфически связываться с поверхностью E. coli. Аптамеры соединены с наночастицами серебра (AgNPs), которые блокируют доступ глюкозы к ферменту до тех пор, пока не будет обнаружена бактерия. Когда E. coli присутствует в воде, аптамеры связываются с ней, что приводит к разрушению защитного слоя и позволяет глюкозе достичь фермента. В результате окислительной реакции вырабатываются электроны, создавая электрический сигнал, подтверждающий наличие бактерий.
Третий компонент — механизм уничтожения бактерий. Когда сенсор обнаруживает E. coli, он использует перекись водорода, побочный продукт работы топливного элемента, для окисления наночастиц серебра. Это приводит к высвобождению ионов серебра (Ag+), известных своими антибактериальными свойствами. Эти ионы способны уничтожить 99,9% бактерий всего за несколько часов.
Высокая чувствительность
Новый биосенсор демонстрирует высокую чувствительность, позволяя обнаруживать E. coli даже при крайне низких концентрациях (3 КОЕ/мл). Для усиления сигнала используется механизм каталитической сборки ДНК (CHA), который формирует двухцепочечные структуры, улучшающие электрический отклик.
В ходе испытаний биосенсор успешно отличал E. coli от других бактерий, таких как Staphylococcus aureus и Salmonella. Он сохранял функциональность даже после многократного использования и длительного хранения. При тестировании на реальных образцах морской воды точность обнаружения составила от 91,06% до 101,9%, а после пяти циклов использования устройство сохранило 90% своей эффективности.
Перспективы и ограничения
Несмотря на впечатляющие результаты, исследователи отмечают, что необходимо дальнейшее изучение вопросов масштабируемости и долговечности устройства. Например, ионы серебра, хотя и эффективны против бактерий, могут накапливаться в окружающей среде, потенциально нанося вред полезным микроорганизмам. В будущем потребуется разработать механизмы контролируемого высвобождения ионов, чтобы минимизировать воздействие на экосистемы.
Исследование было опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
