W przyszłości skutecznym sposobem na wykrycie bakterii określonego gatunku może być bioczujnik z warstwą bakteriofagów. Czułość obecnych sensorów z bakteriofagami, czyli wirusami atakującymi bakterie, jest jednak daleka od ideału. Na łamach czasopisma „Sensors and Actuators B: Chemical” naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie zaprezentowali metodę tworzenia warstw bakteriofagów, która znacząco podnosi wydajność detekcji. O badaniach poinformował Instytut w przesłanym PAP komunikacie.

Osiągnięcie, finansowane z grantów SONATA i MAESTRO Narodowego Centrum Nauki, otwiera drogę do produkcji tanich biosensorów, zdolnych szybko i pewnie wykrywać konkretne gatunki bakterii.

Zbyt późne wykrycie i identyfikacja bakterii były - i, niestety, wciąż są – przyczynami niejednej tragedii. Brak pewnych i szybkich testów medycznych powoduje, że nawet dziś lekarze dopiero po kilkudziesięciu godzinach dowiadują się, jaki gatunek sieje spustoszenie w organizmie hospitalizowanego pacjenta. W rezultacie zamiast podać na wczesnym etapie choroby optymalny antybiotyk, muszą zgadywać. I nierzadko pudłują, z fatalnym dla chorego skutkiem.

„Zakażenia szpitalne, na które w samych Stanach Zjednoczonych umiera każdego roku 100 tys. osób, to tylko część problemów wynikających z braku dobrych metod wykrywania niepożądanych bakterii. Nie mniej istotne są zakażenia przemysłowe. Nikt przecież nie ma ochoty sprzedawać – ani tym bardziej kupować – na przykład soczku marchwiowego z dodatkiem niebezpiecznych bakterii powodujących dur brzuszny czy posocznicę. Takie przypadki jednak wciąż się zdarzają” - mówi dr Jan Paczesny z IChF PAN.

Od pewnego czasu podejmuje się próby budowy czujników wykrywających bakterie, w których kluczową rolę odgrywają bakteriofagi. Pojedynczy bakteriofag, długości około 200 nanometrów, składa się z główki (kapsydu) zawierającej DNA lub RNA, oraz ogonka, przez którą materiał genetyczny jest wstrzykiwany do wnętrza bakterii. Ujście ogonka jest otoczone włókienkami - receptorami. Wykrywają one obecność bakterii i rozpoznają ich gatunek. Bakteriofag nie może bowiem ryzykować: jego materiał genetyczny musi trafić do wnętrza tylko tych bakterii, które dysponują odpowiednio dopasowaną maszynerią genetyczną. Gdyby bakteriofag się pomylił i wstrzelił swój kod genetyczny do niewłaściwej bakterii, nie mógłby zostać powielony.

Specyficzna budowa bakteriofagów powoduje, że po osadzeniu na powierzchni są ułożone losowo. Większość z nich nie dość skutecznie rozpoznaje receptorami bakterie. W rezultacie tylko nieliczne bakteriofagi w warstwie detekcyjnej obecnych biosensorów mogły pełnić swoją rolę. Fakt ten znacznie redukował czułość urządzeń.

„Główki bakteriofagów są naładowane elektrycznie ujemnie, podczas gdy włókienka penetrujące otoczenie – dodatnio. Bakteriofag jest więc tworem spolaryzowanym elektrycznie. To podsunęło nam pomysł >>zdyscyplinowania<< bakteriofagów za pomocą pola elektrycznego” - mówi doktorantka Kinga Matuła z IChF PAN. Pewnym utrudnieniem było to, że bakteriofagi lubią roztwory o dużym zasoleniu.

W trakcie eksperymentów warszawscy naukowcy, kierowani przez prof. Roberta Hołysta, używali odpowiednio dobranego stałego pola elektrycznego. Bakteriofagi osadzano na starannie skonstruowanym podłożu szklanym, pokrytym najpierw tytanem, a następnie złotem. Tytan pełnił rolę kleju wiążącego złoto ze szkłem, podczas gdy samo złoto było główną „przynętą”, z którą wiązały się bakteriofagi. Niestety, nie tylko bakteriofagi lubią złoto, bakterie również. Aby zapobiec wiązaniu się przypadkowych bakterii z warstwą złota, puste miejsca między osadzonymi bakteriofagami pokrywano neutralnym białkiem (kazeiną).

Do budowy nowej warstwy detekcyjnej użyto w IChF PAN bakteriofagów T4, atakujących bakterie Escherichia coli. Bakteriofagi do badań przygotował zespół prof. UG dr hab. Marcina Łosia z Wydziału Biologii Uniwersytetu Gdańskiego.

„Praktycznie wszystkie bakteriofagi w naszych warstwach detekcyjnych stoją na powierzchni podłoża, mogą więc swobodnie rozkładać swoje receptory. Sytuacja przypomina nieco widoki z koncertów rockowych, gdzie fani często całą grupą unoszą ręce wysoko nad głowy i radośnie falują nimi na wszystkie strony. Mamy wrażenie, że nasze fagi mogą być nawet bardziej >>szczęśliwe<<, bo staramy się ich nadmiernie nie zagęszczać. Receptory sąsiadów nie powinny przecież sobie przeszkadzać” - mówi z uśmiechem prof. Hołyst.

Staranne testy laboratoryjne pozwoliły ustalić, że warstwy z bakteriofagami, wytworzone metodą opracowaną w IChF PAN, wyłapują nawet czterokrotnie więcej bakterii od dotychczasowych warstw. W rezultacie ich czułość jest zbliżona do najlepszych biosensorów wykorzystujących inne, bardziej czasochłonne i droższe metody detekcji bakterii.

Opracowana w Warszawie metoda produkcji warstw z uporządkowanymi bakteriofagami ma szereg zalet. Metoda jest przy tym szybka i uniwersalna: można ją zastosować nie tylko do bakteriofagów, ale także do innych cząsteczek spolaryzowanych elektrycznie.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ agt/