Skip to main content

Nano-OptoMechanical Systems for Biological Sensors

Article Category

Article available in the folowing languages:

Rezonowanie wykrywaczy w formie bioczujników ma ograniczyć marnotrawstwo środków antybakteryjnych

Jednym ze sposobów, aby nie wypaść z obiegu w niekończącym się wyścigu z rozwojem lekooporności u drobnoustrojów, jest szybka i dokładna identyfikacja mikroorganizmów połączona z terapią antybiotykową. Brzmi prosto, lecz obecnie dostępne metody detekcji wymagają kilku dni, a określenie podatności lub oporności na lek trwa jeszcze dłużej. Może się to jednak wkrótce zmienić dzięki pewnemu wspieranemu przez program Maria Skłodowska-Curie projektowi.

Gospodarka cyfrowa
Zdrowie

W ramach finansowanego przez UE projektu NOMBIS opracowano nano-optomechaniczne rezonatory płytkowe umożliwiające wczesne wykrywanie zakaźnych patogenów (patrz: zdjęcie płytki z jedną komórką bakteryjną). Urządzenia te można skonfigurować tak, by służyły do pomiaru i identyfikacji (z niespotykaną czułością) w szerokiej gamie chemicznych lub biomolekularnych czujników.

Ważenie DNA i RNA przyszłą metodą określania tożsamości mikroorganizmów

„Wykorzystaliśmy nano-optomechaniczne rezonatory płytkowe w bioczujnikach, osiągając w środowisku płynnym ultra-wysoce czułą i szybką detekcję biocząsteczek przy stężeniach rzędu zeptogramów”, podsumowuje koordynator projektu, dr Eduardo Gil-Santos. Zeptogram jest niezwykle małą jednostką masy, wynoszącą jedną tryliardową grama. Badacze projektu NOMBIS opracowali macierze o setkach mikromembranowych urządzeń na jednym chipie. Mogą one zważyć nici DNA komplementarne do tych, które są unieruchomione na powierzchni mikromembran. Dzięki temu w próbce krwi można zidentyfikować wiele różnych patogenów oraz ich oporność na antybiotyki, która przejawia się w mutacjach. Ogromnym wyzwaniem było wykrywanie bakterii poprzez ukierunkowanie analizy na gen rybosomalnego 16S RNA. Można go wykorzystać do identyfikacji, ponieważ u różnych bakterii występuje różna liczba kopii tego genu. „Nano-optomechaniczne rezonatory płytkowe to urządzenia doskonałe do wykrywania pojedynczych, nienaruszonych, żywych komórek bakteryjnych”, wyjaśnia dr Gil-Santos. Potrafią one nie tylko kwantyfikować masę, ale także wykrywać właściwy dla określonych bakterii rezonans magnetyczny, który może posłużyć za unikatowy sygnał identyfikujący je. Prace w ramach projektu skupiły się przede wszystkim na bakteriach najczęściej wywołujących sepsę, gdyż opóźnienie leczenia tej przypadłości może doprowadzić do rozwoju posocznicy i niewydolności narządów. „Poddaliśmy nasze urządzenia testom w kierunku dwóch często występujących patogenów: Staphylococcus epidermidis i Escherichia coli”, mówi dr Gil-Santos. Bakterie te są częścią naturalnie występującej ludzkiej mikroflory i zazwyczaj nie są patogenne. Mogą jednak stać się patogenami u pacjentów z niedoborami odporności.

Problemy skali zeptogramów

Warunkiem niezbędnym dla wykrycia jest zbliżona częstotliwość drgań czujnika i analitu. „Skutkiem tego musieliśmy stworzyć wiele rezonatorów płytkowych i zmienić ich wymiary, aby uzyskać odpowiednie częstotliwości, które następnie zostały dopasowane do częstotliwości w analicie”, wyjaśnia dr Gil-Santos. Testy urządzeń muszą być wydajne. W tym celu zespół opracował system osadzania patogenów, który umożliwia rozmieszczenie poszczególnych analitów na czujnikach z dokładnością co do mikrometra. W kierunku komercjalizacji Ustanowienie spektroskopii mechanicznej jako technologii referencyjnej w biomedycynie wymaga wykrywania nie tylko pojedynczych trybów analitów, ale ich całych widm mechanicznych. Najlepiej przy zachowaniu warunków fizjologicznych. Wyjaśniając, czego wymaga ta przełomowa technologia, dr Gil-Santos opowiada: „Dotychczasowy postęp wykazał, że czujniki mechaniczne mogą wykrywać pojedyncze tryby analitów w powietrzu, czego nigdy wcześniej nie udało się osiągnąć, ani nawet zaproponować”. Zespół złożył wniosek o przyznanie grantu Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych dla badaczy rozpoczynających niezależną karierę, aby kontynuować prace nad spektroskopią mechaniczną. Projekt zaowocował międzynarodowym patentem. „Szukam teraz firm zainteresowanych komercyjnym wykorzystaniem tego pomysłu. Jednak koncepcja ta jest zupełnie nowa, dlatego konieczne będą dalsze prace, aby zyskała pełną dojrzałość”, wskazuje dr Gil-Santos. Ostatecznie spektroskopia umożliwi wykrywanie patogenów oraz monitorowanie w czasie rzeczywistym ich mechanicznych i morfologicznych właściwości z niebywałą precyzją. Technika ta pozwoli nie tylko ratować życie dzięki umożliwieniu podania dostępnych obecnie leków we właściwym czasie, ale także wesprze proces opracowywania nowoczesnych leków.

Słowa kluczowe

NOMBIS, mechaniczne, wykrywanie, bakterie, patogen, nano-optomechaniczne rezonatory płytkowe, czujnik, mikroorganizm, RNA, biocząsteczka, gen, spektroskopia mechaniczna

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania