Bakterie jako detektor: Nový senzor mění chemické signály na elektřinu a odhalí znečištění i nemoci za 20 minut

Vědci z Rice University vyvinuli průlomový bioelektronický senzor, který dokáže přeměnit chemické signály přímo na elektrický výstup.

Vědci z Rice University vyvinuli průlomový bioelektronický senzor, který dokáže přeměnit chemické signály přímo na elektrický výstup. Tento systém, nazvaný e-COSENS (electroactive co-culture sensing system), využívá speciálně upravené živé mikroby a otevírá nové možnosti v detekci znečišťujících látek, zdravotních markerů a antibiotik pomocí jednoduchých elektrických měření.

Tradiční biologické senzory často spoléhají na světelné metody, ale e-COSENS je nahrazuje elektřinou, což výrazně zjednodušuje integraci se standardní elektronikou, jako jsou multimetry a přenosná zařízení. Ačkoliv bioelektrické snímání existuje již léta, většina systémů byla obtížně konstruovatelná nebo nasaditelná mimo laboratorní prostředí. Mnoho z nich se opíralo o upravené bakterie, které emitovaly světlo nebo produkovaly slabé elektrické signály, jež bylo těžké kontrolovat a škálovat.

Tým vědců, ve spolupráci s Tufts University a Baylor College of Medicine, vyřešil tyto problémy rozdělením detekčního úkolu mezi dva různé druhy bakterií. Jedna bakterie detekuje cílovou chemickou látku a produkuje signální molekulu, zatímco druhá bakterie tento signál převádí na měřitelný elektrický proud. Tento princip „rozdělení práce“ činí systém e-COSENS mimořádně flexibilním a výkonným. Klíčovou komunikační molekulou mezi oběma mikrobiálními druhy je chinon, který některé bakterie přirozeně využívají k výrobě elektřiny.

Namísto snahy přimět jeden organismus, aby zvládl jak snímání, tak elektrický výstup, vědci navrhli modulární systém. Ten umožňuje naprogramovat bakterii E. coli k detekci různých látek, včetně těžkých kovů a zánětlivých markerů. Jakmile je spuštěna, produkuje chinon, který aktivuje druhou bakterii k generování měřitelného elektrického signálu. Platforma byla úspěšně testována ve čtyřech různých nastaveních, zaměřených na detekci těžkých kovů ve vzorcích vody, zánětlivých markerů v umělých slinách, antimikrobiálních peptidů ve vzorcích odvozených ze stolice a antibiotik v mléce.

Pro překonání omezení laboratorního prostředí vyvinuli spolupracovníci z Tufts University kompaktní elektronický disk o velikosti mince, který lze spárovat se standardními multimetry. To umožňuje přenosnou detekci mimo kontrolované laboratorní podmínky. Systém dokáže produkovat čitelné elektrické signály již za 20 minut, v závislosti na cílové látce. Modulární design je klíčovou výhodou, neboť umožňuje přizpůsobit různé bakteriální kombinace pro specifické detekční úkoly bez nutnosti přepracovávat celý systém.

Potenciální využití zahrnuje monitorování životního prostředí, testování bezpečnosti potravin a základní zdravotní diagnostiku v oblastech s omezenými zdroji. Dva autoři již podali prozatímní patenty pokrývající aspekty designu systému a jeho integrace s detekčním hardwarem. Tento výzkum, publikovaný v časopise Nature Biotechnology, představuje posun v bioinženýrských přístupech, směřující od inženýrství jednotlivých organismů k systémům kooperujících mikrobů, které se chovají jako živé elektrické obvody.