596
Инновационная разработка в области биотехнологий предлагает новый подход к обнаружению и уничтожению опасных бактерий кишечной палочки непосредственно в воде, что может кардинально изменить глобальные методы обеспечения безопасной воды.
Проблемы традиционных подходов
Современные способы обнаружения микробов в воде имеют значимые ограничения. Культивирование и полимеразная цепная реакция (ПЦР) требует много времени и специализированного оборудования. Эти методы требуют квалифицированного персонала для проведения анализов и интерпретации результатов.
Хотя существующие биосенсоры работают быстрее, они зависят от внешних источников энергии. Кроме того, их эффективность со временем снижается из-за деградации биологических компонентов. Новый биосенсор преодолевает эти препятствия благодаря уникальной трехзвенной системе.
Инновационная трехзвенная система
Первый компонент – ферментативный биотопливный элемент (EBFC), обеспечивающий автономное питание. Он использует фермент глюкозооксидазу для расщепления глюкозы, что приводит к образованию электронов и перекиси водорода. Этот процесс по существу превращает биохимическую энергию в электрическую.
Для предотвращения деградации фермента исследователи разработали защитную оболочку. Они инкапсулировали глюкозооксидазу в полый металлоорганический каркас ZIF-8, защищающий фермент от внешних повреждений и поддерживающий его стабильность.
Второй элемент – система обнаружения на основе аптамеров. Эти специализированные короткие цепочки ДНК могут специфически связываться с компонентами наружной оболочки E. coli. Аптамеры соединены с наночастицами серебра, блокирующими доступ глюкозы к ферменту.
Когда E. coli возникает в воде, происходит цепная реакция. Аптамеры связываются с бактериями, что инициирует взаимодействие с кремнеземным барьером. Это открывает путь для глюкозы в фермент, запуская окислительную реакцию. Образующийся электрический сигнал подтверждает наличие бактерий.
Третий компонент – система уничтожения обнаруженных бактерий. Этот механизм элиминации употребляет перекись водорода – побочный продукт биотопливного элемента. Перекись окисляет наночастицы серебра, высвобождая ионы серебра, известные своими мощными антибактериальными свойствами.
Преимущества инновационного биосенсора
Разработанный биосенсор демонстрирует чрезвычайную чувствительность, обнаруживая E. coli даже при концентрации 3 КОЕ/мл. Точность обнаружения повышается благодаря механизму каталитической булавочной сборки, который образует двухцепочечные структуры ДНК для усиления электрического сигнала.
Тестирование показало высокую специфичность биосенсора – он четко отличает E. coli от других бактерий, таких как золотистый стафилококк и сальмонелла. Устройство сохраняет функциональность при многократном использовании и после продолжительного хранения. В настоящих образцах морской воды точность обнаружения составляла от 91,06% до 101,9%.
Антибактериальный компонент биосенсора поражает своей эффективностью – ионы серебра уничтожают 99,9% обнаруженных бактерий в течение нескольких часов. Это делает технологию не только диагностическим инструментом, но и активным средством для очистки воды.
Перспективы и оговорки
Несмотря на перспективные результаты, исследователи признают необходимость дальнейшего изучения. Вопрос масштабирования технологии для широкого использования остается открытым. Также вызывает беспокойство потенциальное накопление ионов серебра в окружающей среде.
Хотя ионы серебра эффективно уничтожают патогенные бактерии, они могут оказывать негативное влияние на полезные микроорганизмы. Поэтому необходимо разработать механизмы контролируемого высвобождения ионов серебра для минимизации экологического воздействия при сохранении антимикробной эффективности.
Несмотря на эти оговорки, новый биосенсор представляет значительный шаг вперед в технологиях очистки воды. Его способность самостоятельно выявлять и уничтожать патогены делает его потенциально революционным инструментом для обеспечения безопасной питьевой воды во всем мире.
Ученые создали автономный датчик для очистки питьевой воды появившейся вначале на любопытстве.
