石墨烯可选择性地识别致命的细菌菌株

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石墨烯为新的平台提供了基础,可选择性识别细菌的致命菌株

确定引起感染的确切病原体的难度和费用是抗生素治疗复杂性的关键部分。由波士顿学院研究人员领导的团队开发了一种原型传感器,该传感器使用原子深层的石墨烯和肽片快速显示出样品中的细菌种类以及它是否具有抗生素抗性。石墨烯场效应晶体管(G-FET)达到了单细胞分辨率和5分钟的检测时间,这可以导致更准确地针对适当的抗生素进行感染。图片来源:波士顿学院的肯尼斯·伯奇(Kenneth Burch)

波士顿学院研究人员领导的一个团队使用单原子厚的石墨烯薄片跟踪生物结构中固有的电子信号,开发了一个平台,可以有选择地识别致命的细菌菌株,这一进展可能导致更准确地针对研究小组在《生物传感器和生物电子学》杂志上报道了适当的抗生素。

该论文的第一作者,波士顿大学物理学教授肯尼斯·伯奇说,该原型展示了在单一平台上首次选择性,快速且廉价的电检测病原细菌金黄色葡萄球菌和耐药鲍曼不动杆菌。

在抗生素耐药性致病性的快速增长细菌已经成为一个全球性的威胁,在很大程度上是因为在处方的抗生素。共同作者和波士顿学院生物学副教授蒂姆·范·奥皮宁(Tim van Opijnen)认为,这在很大程度上是由于缺乏快速,廉价,可扩展和准确的诊断程序所致。

特别关键的是确定细菌种类及其是否对抗生素具有抗药性,并在可以在大多数护理点容易操作的平台上进行鉴定。当前,这种诊断相对较慢-从数小时到数天不等-需要广泛的专业知识和非常昂贵的设备。

卑诗省研究人员与波士顿大学的同事合作开发了一种传感器,称为石墨烯场效应晶体管(G-FET),该传感器可克服先前检测工作的关键缺点,因为它是一种高度可扩展的平台,采用肽,共同作者,卑诗省大学化学教授高建民说,这些氨基酸是廉价且易于使用的化学试剂。

研究小组着手表明,它可以构建一种设备,该设备可以“快速检测特定细菌菌株和物种的存在,利用其表面上的大量电荷并利用我们自己设计的合成肽捕获它们的能力”。伯奇

该计划建立在van Opijnen和Gao的早期研究基础上,他们先前发现肽具有高度选择性,但当时需要昂贵的荧光显微镜进行检测。除Burch,Gao和van Opijnen外,该论文的主要合著者还包括波士顿大学化学系助理教授Xi Ling。

研究小组对现有的肽进行了修饰,使它们能够与石墨烯(碳的单原子层)连接。这些肽被设计为与特定细菌结合,排斥所有其他细菌。本质上,G-FET能够监控石墨烯上的电荷,同时将其暴露于各种生物制剂中。

由于这些肽具有选择性,研究人员能够确定它们与所需细菌菌株的连接,该小组在文章“介电电泳辅助使用G-FET快速,选择性和单细胞检测抗生素耐药细菌”中进行了报道。通过电监测电阻并最终监测设备上的电荷,可以解决附着在石墨烯上的细菌的存在,即使对于单个细胞也是如此。

研究小组报告说,为了实现更高的速度和更高的灵敏度,在液体上施加了电场,以将细菌驱至设备,再次利用细菌上的电荷。研究小组报告说,这种被称为介电电泳的过程以前从未应用于基于石墨烯的传感器,并且可能为显着改善该领域采用石墨烯进行生物传感的努力打开大门。

伯奇说:“我们很惊讶细菌能被电引导到设备上。” “我们认为这会在一定程度上减少所需的时间和所需的浓度。相反,它工作得很好,以至于电场能够将所需的细菌浓度降低1000倍,并将检测时间减少到五分钟。”


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