Neuer bioelektronischer Sensor nutzt Bakterien zur schnellen Toxindetektion

Ingenieure der Rice University haben ein duales Bakteriensystem entwickelt, das chemische Signale direkt in elektrische Ausgänge umwandelt und so eine neue Art von bioelektronischem Sensor schafft, der Schadstoffe, Gesun Ingenieure der Rice University haben ein duales Bakteriensystem entwickelt, das chemische Signale direkt in elektrische Ausgänge umwandelt und so eine neue Art von bioelektronischem Sensor schafft, der Schadstoffe, Gesundheitsmarker und Antibiotika mithilfe einfacher elektrischer Messwerte nachweisen könnte.

Das System, genannt electroactive co-culture sensing system (e-COSENS), ersetzt traditionelle lichtbasierte biologische Sensormethoden durch Elektrizität, was die Integration mit Standardelektronik wie Multimetern und tragbaren Geräten erleichtert. Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit der Tufts University und dem Baylor College of Medicine durchgeführt.

Die bioelektrische Sensorik existiert seit Jahren, aber die meisten Systeme waren schwierig zu entwickeln oder außerhalb von Laboren einzusetzen. Viele basieren auf gentechnisch veränderten Bakterien, die Licht emittieren oder schwache elektrische Signale erzeugen, die schwer zu kontrollieren oder zu skalieren sind.

Die Forscher begegneten diesem Problem, indem

Die Forscher begegneten diesem Problem, indem sie die Sensoraufgabe zwischen zwei verschiedenen Bakterien aufteilten. Ein Bakterium detektiert ein Zielchemikal und produziert ein Signalmolekül, während das zweite Bakterium dieses Signal in einen elektrischen Strom umwandelt, der gemessen werden kann.

„Diese Arbeitsteilung macht e-COSENS so flexibel und leistungsstark.“ Das System basiert auf Chinon, einem Molekül, das von bestimmten Bakterien natürlich zur Stromerzeugung verwendet wird.

Bei dieser Einrichtung dient Chinon als entscheidende Kommunikationsbrücke zwischen den beiden mikrobiellen Arten und ermöglicht so eine kontrollierte elektrische Reaktion, wenn ein Zielanalyte vorhanden ist.

Modulare mikrobielle Schaltkreise Anstatt ein einzelnes

Modulare mikrobielle Schaltkreise Anstatt ein einzelnes Organismus zu zwingen, die Detektion und den elektrischen Ausgang zu übernehmen, konstruierten die Forscher ein modulares System, bei dem E. coli programmiert werden kann, verschiedene Substanzen zu detektieren, darunter Schwermetalle und Entzündungsmarker.

Nach der Auslösung produziert es Chinon, das das zweite Bakterium aktiviert, um ein messbares elektrisches Signal zu erzeugen. Um die Plattform zu testen, entwarf das Team vier Sensoraufbauten, die verschiedene Analyten in unterschiedlichen Umgebungen zielten.

Dazu gehörten Schwermetalle in Wasserproben, Entzündungsmarker in künstlichem Speichel, antimikrobielle Peptide in fäkalen Proben und Antibiotika in Milch.

Alle vier Versionen des Systems waren

„Alle vier Versionen des Systems waren erfolgreich, aber die großen Reaktoren, die sie verwendeten, lassen sich nicht einfach vom Labor nach draußen übertragen.“ Um die Skalierbarkeit zu verbessern, entwickelten Mitarbeiter der Tufts University eine kompakte elektronische Scheibe, die etwa so groß ist wie eine Münze und mit Standardmultimetern gekoppelt werden kann, was eine tragbare Detektion außerhalb kontrollierter Laboreinstellungen ermöglicht.

Feldtaugliche Bioelektronik Die Forscher sagen, dass das System je nach Zielanalyten in so wenig wie 20 Minuten lesbare elektrische Signale erzeugen kann.

Der Ansatz eröffnet auch die Möglichkeit, eine breitere Palette von Bakterien anzupassen, die entweder Quinon produzieren oder darauf reagieren können, wodurch die Vielseitigkeit des Systems erweitert wird.

Dieses vereinfachte Hardware senkt die Hürde

„Dieses vereinfachte Hardware senkt die Hürde für den Einsatz bioelektronischer Sensoren außerhalb des Labors dramatisch und eröffnet Möglichkeiten für kostengünstige, im Feld einsetzbare Diagnostika“, sagte Li.

Das Team glaubt, dass das modulare Design der Schlüsselvorteil ist, da es es ermöglicht, verschiedene bakterielle Kombinationen für spezifische Detektionsaufgaben anzupassen, ohne das gesamte System neu gestalten zu müssen.

Potenzielle Anwendungen umfassen die Umweltüberwachung, die Lebensmitteltests und grundlegende Gesundheitsdiagnostik in ressourcenarmen Umgebungen. Zwei Autoren haben provisorische Patente bezüglich Aspekten des Systemdesigns und seiner Detektionshardwareintegration angemeldet.

Die Studie hebt einen Wandel in bioingenieurtechnischen Ansätzen hervor, weg von der Einzelorganismen-Ingenieurarbeit hin zu kooperativen mikrobiellen Systemen, die wie lebende elektrische Schaltkreise funktionieren. Die Forschung wurde in Nature Biotechnology veröffentlicht.