یک تیم از محققان موفق به توسعه یک حسگر زیستی جدید شده‌اند که قادر است باکتری اشریشیا کلی (E. coli) را در آب آشامیدنی شناسایی کرده و آنها را به‌طور همزمان در محل از بین ببرد. این کشف می‌تواند تاثیرات گسترده‌ای در تأمین آب آشامیدنی سالم در سراسر جهان داشته باشد.
اینترستینگ انجینرینگ، روش‌های سنتی شناسایی و حذف باکتری‌ها مانند کشت باکتری‌ها یا واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) وقت‌گیر و نیازمند تجهیزات تخصصی و کارکنان آموزش‌دیده هستند. در مقابل، حسگر‌های زیستی که از موجودات زنده یا مولکول‌های زیستی استفاده می‌کنند، سریع‌تر عمل می‌کنند، اما معمولاً نیاز به منابع انرژی خارجی دارند و به مرور زمان عملکردشان کاهش می‌یابد.
حسگر جدید، اما با استفاده از سه مؤلفه اصلی، این مشکلات را حل کرده و قادر است انرژی مورد نیاز خود را تأمین کند.
سه مؤلفه اصلی حسگر جدید
اولین مؤلفه، یک سلول سوخت زیستی آنزیمی (EBFC) است که با استفاده از آنزیم‌ها، برق تولید می‌کند. این سلول با استفاده از آنزیم گلوکز اکسیداز (GOx) گلوکز را تجزیه کرده و الکترون‌ها و هیدروژن پراکسید تولید می‌کند. با این حال، این آنزیم به مرور زمان ناپایدار می‌شود.
برای رفع این مشکل، تیم تحقیقاتی آنزیم را در یک چارچوب فلزی-آلی توخالی به نام ZIF-۸ محصور کردند که از آسیب آن جلوگیری کرده و کارایی و پایداری آن را در شرایط مختلف حفظ می‌کند.
دومین مؤلفه استفاده از آنتی‌بادی‌هایی به نام آپتامر‌ها است. این رشته‌های کوتاه DNA به‌طور خاص به قسمت‌هایی از سطح باکتری E. coli متصل می‌شوند. آنتی‌بادی‌ها به نانوذرات نقره (AgNPs) متصل شده‌اند که مانع از رسیدن گلوکز به آنزیم تا زمانی که E. coli شناسایی نشود، می‌شوند.
زمانی که E. coli شناسایی شود، آپتامر به آن متصل شده و واکنشی را ایجاد می‌کند که مانع سیلیکایی را شکسته و گلوکز را به آنزیم می‌رساند. این واکنش اکسیداسیون الکترون‌ها تولید کرده و سیگنال الکتریکی ایجاد می‌کند که حضور باکتری‌ها را تأیید می‌کند.
سومین مؤلفه یک مکانیزم حذف باکتری است که هرگونه سلول E. coli شناسایی شده را از بین می‌برد. این کار با استفاده از دوز کنترل شده‌ای از هیدروژن پراکسید انجام می‌شود که به‌عنوان یک محصول فرعی از سلول سوخت زیستی حسگر تولید می‌شود. این ماده نانوذرات نقره را اکسید کرده و یون‌های نقره (Ag+) را آزاد می‌کند که خواص ضدباکتری بسیار مؤثری دارند. این یون‌ها می‌توانند ۹۹.۹٪ از باکتری‌ها را تنها در چند ساعت از بین ببرند.
کارایی و پایداری
محققان گزارش داده‌اند که حسگر جدید بسیار حساس است و قادر به شناسایی E. coli در غلظت‌های بسیار پایین (۳ CFU/mL) است. همچنین این حسگر دارای یک مکانیزم تقویت‌کننده سیگنال به نام "کاتالیتیک هیرپین اسمبلی" (CHA) است که سیگنال را با تشکیل ساختار‌های DNA دو رشته‌ای تقویت می‌کند و دقت الکتریکی را افزایش می‌دهد.
زمانی که این حسگر آزمایش شد، توانست E. coli را از سایر باکتری‌ها مانند استافیلوکوکوس اورئوس و سالمونلا تمیز دهد. همچنین این حسگر پس از چندین بار استفاده، حتی چند روز پس از نگهداری، همچنان عملکرد خود را حفظ کرد. در آزمایش‌هایی که روی نمونه‌های واقعی آب دریا انجام شد، دقت شناسایی این حسگر بین ۹۱.۰۶٪ تا ۱۰۱.۹٪ بود و پس از پنج چرخه استفاده، ۹۰٪ از کارایی خود را حفظ کرد.
چالش‌ها و نیاز به تحقیقات بیشتر
هرچند نتایج اولیه امیدوارکننده است، این مطالعه سوالاتی را در مورد مقیاس‌پذیری و کارایی طولانی‌مدت این حسگر مطرح می‌کند. برای مثال، یون‌های نقره که برای از بین بردن باکتری‌ها مؤثر هستند، ممکن است در محیط تجمع کرده و به میکروب‌های مفید آسیب بزنند. به همین دلیل، تحقیقات آینده باید مکانیزم‌های رهایش کنترل‌شده را برای کاهش تأثیرات زیست‌محیطی در حالی که کارایی ضدباکتری حفظ می‌شود، مورد بررسی قرار دهند.
انتهای پیام/