Інноваційна розробка у сфері біотехнологій пропонує новий підхід до виявлення та знищення небезпечних бактерій кишкової палички безпосередньо у питній воді, що може кардинально змінити глобальні методи забезпечення безпечної води.

Проблеми традиційних підходів

Сучасні методи виявлення бактерій у воді мають значні обмеження. Культивування та полімеразна ланцюгова реакція (ПЛР) потребують багато часу та спеціалізованого обладнання. Ці методи також вимагають кваліфікованого персоналу для проведення аналізів та інтерпретації результатів.

Хоча існуючі біосенсори працюють швидше, вони залежать від зовнішніх джерел енергії. Крім того, їх ефективність з часом знижується через деградацію біологічних компонентів. Новий біосенсор долає ці перешкоди завдяки унікальній триланковій системі.

Інноваційна триланкова система

Перший компонент – ферментативний біопаливний елемент (EBFC), який забезпечує автономне живлення. Він використовує фермент глюкозооксидазу для розщеплення глюкози, що призводить до утворення електронів та перекису водню. Цей процес по суті перетворює біохімічну енергію на електричну.

Для запобігання деградації ферменту дослідники розробили захисну оболонку. Вони інкапсулювали глюкозооксидазу в порожнистий металоорганічний каркас ZIF-8, який захищає фермент від зовнішніх пошкоджень і підтримує його стабільність.

Другий елемент – система виявлення на основі аптамерів. Ці спеціалізовані короткі ланцюжки ДНК можуть специфічно зв’язуватися з компонентами зовнішньої оболонки E. coli. Аптамери з’єднані з наночастинками срібла, які блокують доступ глюкози до ферменту.

Коли E. coli з’являється у воді, відбувається ланцюгова реакція. Аптамери зв’язуються з бактеріями, що ініціює взаємодію з кремнеземним бар’єром. Це відкриває шлях для глюкози до ферменту, запускаючи окисну реакцію. Утворений електричний сигнал підтверджує наявність бактерій.

Третій компонент – система знищення виявлених бактерій. Цей механізм елімінації використовує перекис водню – побічний продукт біопаливного елемента. Перекис окислює наночастинки срібла, вивільняючи іони срібла, які відомі своїми потужними антибактеріальними властивостями.

Переваги інноваційного біосенсора

Розроблений біосенсор демонструє надзвичайну чутливість, виявляючи E. coli навіть при концентрації 3 КУО/мл. Точність виявлення підвищується завдяки механізму каталітичної шпилькової збірки, який утворює дволанцюгові структури ДНК для посилення електричного сигналу.

Тестування показало високу специфічність біосенсора – він чітко розрізняє E. coli від інших бактерій, таких як золотистий стафілокок та сальмонела. Пристрій зберігає функціональність при багаторазовому використанні та після тривалого зберігання. У реальних зразках морської води точність виявлення становила від 91,06% до 101,9%.

Антибактеріальний компонент біосенсора вражає своєю ефективністю – іони срібла знищують 99,9% виявлених бактерій протягом кількох годин. Це робить технологію не лише діагностичним інструментом, але й активним засобом очищення води.

Перспективи та застереження

Попри багатообіцяючі результати, дослідники визнають необхідність подальшого вивчення. Питання масштабованості технології для широкого використання залишається відкритим. Також викликає занепокоєння потенційне накопичення іонів срібла у довкіллі.

Хоча іони срібла ефективно знищують патогенні бактерії, вони можуть негативно впливати на корисні мікроорганізми. Тому необхідно розробити механізми контрольованого вивільнення іонів срібла для мінімізації екологічного впливу при збереженні антимікробної ефективності.

Незважаючи на ці застереження, новий біосенсор представляє значний крок уперед у технологіях очищення води. Його здатність автономно виявляти та знищувати патогени робить його потенційно революційним інструментом для забезпечення безпечної питної води в усьому світі.