石墨烯為選擇性識別致命細(xì)菌菌株的新平臺提供了基?

馬薩諸塞州梨樹山(3/19/2020)-波士頓學(xué)院的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)使用單原子厚度的石墨烯片來跟蹤生物結(jié)構(gòu)的固有電子信號，并開發(fā)了一個平臺來選擇性地識別致命的細(xì)菌菌株。研究小組在雜志《生物傳感器和生物電子學(xué)》中報道，這一進(jìn)展可能會導(dǎo)致用適當(dāng)?shù)目股剡M(jìn)行更準(zhǔn)確的感染。

波士頓大學(xué)物理學(xué)教授肯尼斯伯奇(Kenneth birch)表示，該原型首次在單一平臺上展示了對致病菌金黃色葡萄球菌和耐藥鮑曼不動桿菌的選擇性、快速和廉價的電檢測。

抗生素耐藥病原菌的快速增加已成為全球性威脅，這在很大程度上是由于抗生素的過度處方。合著者、波士頓學(xué)院生物學(xué)副教授Tim van Opijnen認(rèn)為，這主要是由于缺乏快速、廉價、可擴(kuò)展和準(zhǔn)確的診斷程序。

特別是，關(guān)鍵是確定細(xì)菌的類型和是否對抗生素有耐藥性，并在大多數(shù)護(hù)理點(diǎn)易于操作的平臺上進(jìn)行鑒定。目前，這種診斷相對較慢——從幾個小時到幾天不等——需要廣泛的專業(yè)知識和非常昂貴的設(shè)備。

不列顛哥倫比亞省的研究人員與波士頓大學(xué)的同事合作開發(fā)了一種稱為石墨烯場效應(yīng)晶體管(G-FET)的傳感器，該傳感器可以克服以前檢測工作的關(guān)鍵缺點(diǎn)，因?yàn)樗且粋€高度可擴(kuò)展的平臺，并且使用肽。合著者、不列顛哥倫比亞大學(xué)化學(xué)教授高建民說，這些氨基酸是廉價且易于使用的化學(xué)試劑。

研究團(tuán)隊(duì)著手展示，它可以構(gòu)建一種設(shè)備，能夠“快速檢測特定細(xì)菌菌株和物種的存在，利用它們表面的大量電荷，并利用我們自己設(shè)計(jì)的合成肽來捕獲它們的能力”。樺樹

該計(jì)劃基于van Opijnen和Gao的早期研究，他們之前發(fā)現(xiàn)肽具有高度選擇性，但當(dāng)時需要昂貴的熒光顯微鏡進(jìn)行檢測。除伯奇、高和范奧皮寧外，本文的主要合著者還包括波士頓大學(xué)化學(xué)系助理教授凌。

研究小組修改了現(xiàn)有的肽，使它們可以與石墨烯(碳的單原子層)相連。這些肽被設(shè)計(jì)成與特定細(xì)菌結(jié)合，并排斥所有其他細(xì)菌。本質(zhì)上，當(dāng)石墨烯暴露在各種生物制劑中時，場效應(yīng)晶體管可以監(jiān)控石墨烯上的電荷。

由于這些肽的選擇性，研究人員可以確定它們與所需細(xì)菌菌株的聯(lián)系。該團(tuán)隊(duì)在文章《介電泳輔助G-FET快速、選擇性和單細(xì)胞檢測抗生素耐藥菌》中報道。通過電監(jiān)控電阻并最終監(jiān)控器件上的電荷，可以解決附著在石墨烯上的細(xì)菌的存在，即使對于單個細(xì)胞也是如此。

研究小組報告說，為了實(shí)現(xiàn)更高的速度和更高的靈敏度，向液體施加電場，將細(xì)菌驅(qū)動到設(shè)備上，并重新利用細(xì)菌上的電荷。研究小組報告稱，這種被稱為介電泳的過程以前從未應(yīng)用于石墨烯基傳感器，它可能會為顯著提高石墨烯在該領(lǐng)域用于生物傳感的努力打開大門。

伯奇說：“我們很驚訝細(xì)菌能被電引導(dǎo)到這個裝置?！薄拔覀冋J(rèn)為這將在一定程度上減少所需的時間和注意力。相反，它的效果非常好，電場可以將所需的細(xì)菌濃度降低1000倍，并將檢測時間縮短到5分鐘?！?

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