Revoluce v detekci chemikálií: Nový senzor využívá živé bakterie pro monitorování vody a potravin

Vědci vyvinuli bioelektronický senzor, který využívá živé bakterie k vytváření elektrických signálů při detekci specifických látek.

Vědci vyvinuli bioelektronický senzor, který využívá živé bakterie k vytváření elektrických signálů při detekci specifických látek. Tato technologie by mohla umožnit vznik dlouhotrvajících senzorů schopných monitorovat prostředí, jako jsou odpadní vody, potravinářské výrobky a průmyslové systémy.

Zařízení bylo vyvinuto vědci z Rice University a spoléhá na bakterie, které přirozeně produkují elektrické signály v reakci na určité chemikálie, známé jako analyty. Mikrobiální bioelektronické senzory dlouhodobě přitahují pozornost, protože bakterie mohou vykonávat více funkcí, přežívat v drsných prostředích a dokonce se časem regenerovat.

Použití živých bakterií v elektronických zařízeních se však ukázalo jako obtížné. V mnoha senzorech se molekuly, které přenášejí elektrony mezi mikroby a elektrodou, mohou v kapalném prostředí vyplavit. Některé z těchto elektronových mediátorů mohou být navíc toxické, což omezuje jejich praktické využití.

K vyřešení tohoto problému výzkumníci navrhli nový biohybridní materiál, který udržuje bakterie v blízkosti elektrody a zároveň zachovává stabilní elektronické spojení. Tým vytvořil měkký hydrogel z chitosanu, přirozeně se vyskytujícího polymeru nacházejícího se ve schránkách korýšů. Hydrogel funguje jako zadržovací vrstva, která drží bakterie blízko elektrody a zároveň umožňuje průtok kapalin.

„Tento systém využívá přirozeně se vyskytující polymer chitosan, který se nachází v tvrdých vnějších schránkách korýšů,“ uvedl Rafael Verduzco, korespondenční autor studie. „V našem systému chitosan také funguje jako jakási schránka, která brání úniku bakterií.“ Vědci také modifikovali chitosanový polymer tak, aby mohl zadržovat redoxní mediátory, molekuly, které přenášejí elektrony mezi bakteriemi a elektrodou. „Je také modifikován tak, aby měl kotevní body, ke kterým se mohou mediátory připojit, což je klíčové pro transport elektronů,“ dodal Verduzco.

Hydrogely jsou flexibilní materiály vyrobené ze sítí porézních polymerů. Jejich struktura umožňuje kapalinám obsahujícím potenciální analyty volně procházet gelem, zatímco bakterie zůstávají uvězněny uvnitř materiálu. Klíčovým doplňkem v novém designu je redoxně aktivní polymer. Tyto materiály mohou přijímat elektrony z jednoho zdroje a předávat je dál, což umožňuje elektrickým signálům cestovat z bakterií k elektrodě.

Vědci použili hydrogel k vytvoření funkčního senzoru, který detekuje sloučeninu známou jako sakacin P v mléce. Sakacin P je antimikrobiální peptid, který se někdy používá jako konzervant v potravinách. K produkci elektrického signálu tým zkonstruoval kmen bakterie L. plantarum, probiotické bakterie běžně se vyskytující ve fermentovaných mléčných výrobcích. Když se bakterie setkají se sakacinem P, generují malý elektrický proud.