تیمی از محققان یک بیوسنسور خودتامین انرژی جدید ساخته‌اند که می‌تواند باکتری‌های اشریشیا کلی (E. coli) را در آب آشامیدنی شناسایی کرده و آنها را در محل (در همان مکان) از بین ببرد. این کشف می‌تواند پیامدهای عظیمی برای تامین آب آشامیدنی سالم در سراسر جهان داشته باشد.
روش‌های سنتی، مانند کشت یا واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR)، زمان‌بر و پرهزینه هستند. آنها همچنین به تجهیزات تخصصی و پرسنل آموزش‌دیده نیاز دارند.
بیوسنسورها (دستگاه‌هایی که از موجودات زنده یا مولکول‌های بیولوژیکی استفاده می‌کنند) سریع‌تر هستند، اما معمولاً برای عملکرد به منابع تغذیه خارجی نیاز دارند. آنها همچنین تمایل آزاردهنده‌ای به تخریب در طول زمان دارند. با این حال، حسگر جدید با استقرار سه جزء اصلی برای تولید انرژی خود، بسیاری از این مشکلات را برطرف می‌کند.
سه جزء
اولین، یک سلول سوختی آنزیمی (EBFC) است که با استفاده از آنزیم‌ها برای تولید برق از واکنش‌های بیوشیمیایی، انرژی حسگر را تامین می‌کند. این سلول از گلوکز اکسیداز (GOx) برای تجزیه گلوکز استفاده می‌کند و الکترون‌ها (برق) و پراکسید هیدروژن تولید می‌کند. با این حال، این آنزیم با گذشت زمان پایداری خود را از دست می‌دهد.
برای حل این مشکل، تیم آن را در یک چارچوب فلزی-آلی (MOF) توخالی به نام ZIF-8 محصور کرد، که از آسیب در طول زمان محافظت می‌کند و کارایی و پایداری را در شرایط مختلف حفظ می‌کند.
دوم استفاده از آنتی‌بادی‌هایی به نام آپتامر در بیوسنسور است. این رشته‌های کوتاه DNA می‌توانند به طور خاص به قسمت‌هایی از قسمت بیرونی E. coli متصل شوند. به گفته این تیم، آپتامرها به نانوذرات نقره (AgNPs) متصل می‌شوند که از رسیدن گلوکز به آنزیم تا زمانی که E. coli شناسایی شود، جلوگیری می‌کنند.
هنگامی که E. coli وجود دارد، آپتامر به آن متصل می‌شود و واکنشی را به مانع سیلیس تحریک می‌کند و به گلوکز اجازه می‌دهد به آنزیم برسد. واکنش اکسیداسیون الکترون تولید می‌کند و یک سیگنال الکتریکی تولید می‌کند که وجود باکتری را تایید می‌کند.
سومین جزء یک مکانیسم حذف باکتریایی است که هر سلول E. coli را که حسگر پیدا می‌کند، از بین می‌برد. این امر با استفاده از دوز هدفمند پراکسید هیدروژن، یک محصول جانبی از سلول سوختی حسگر به دست می‌آید. این پراکسید هیدروژن نانوذرات نقره را اکسید می‌کند و یون‌های نقره (Ag+) را آزاد می‌کند که به دلیل خواص ضد باکتریایی خود مشهور هستند. آنها به قدری موثر هستند که می‌توانند 99.9 درصد باکتری‌ها را تنها در چند ساعت از بین ببرند.
کارآمد و پایدار
محققان گزارش می‌دهند که حسگر جدید نیز بسیار حساس است و قادر به شناسایی E. coli در غلظت‌های بسیار پایین (3 CFU/mL) است. همچنین دارای یک مکانیسم مونتاژ موی سر کاتالیزوری (CHA) است که سیگنال را با تشکیل ساختارهای DNA دو رشته‌ای که خوانش الکتریکی را افزایش می‌دهند، تقویت می‌کند.
هنگامی که آزمایش شد، بیوسنسور جدید با موفقیت E. coli را از سایر باکتری‌ها مانند استافیلوکوکوس اورئوس و سالمونلا متمایز کرد. همچنین مشخص شد که حتی روزها پس از نگهداری، عملکرد خود را در چندین بار استفاده حفظ می‌کند. پس از آزمایش بر روی نمونه‌های واقعی آب دریا، دقت تشخیص 91.06٪ تا 101.9٪ را نشان داد در حالی که 90٪ عملکرد را پس از پنج چرخه استفاده حفظ کرد.
توجه به این نکته مهم است که در حالی که نتایج امیدوارکننده هستند، این مطالعه همچنین سوالاتی را در مورد مقیاس‌پذیری و قابلیت استفاده طولانی‌مدت مطرح می‌کند. به عنوان مثال، یون‌های نقره، در حالی که در کشتن باکتری‌ها موثر هستند، می‌توانند در محیط تجمع یابند و به طور بالقوه به میکروب‌های مفید آسیب برسانند. به همین منظور، تحقیقات آینده برای بررسی مکانیسم‌های انتشار کنترل‌شده به منظور به حداقل رساندن اثرات زیست‌محیطی و در عین حال حفظ کارایی ضد میکروبی ضروری است.
این مطالعه در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است.