Bioczujnik wykorzystujący uporządkowane warstwy bakteriofagów jako element sensoryczny

Pełna nazwa: Sposób przygotowania bioczujnika wykorzystującego uporządkowane warstwy bakteriofagów jako element sensoryczny i taki bioczujnik

Istota wynalazku

Tylko w Stanach Zjednoczonych w wyniku zakażeń szpitalnych każdego roku umiera 100 000 osób. Liczba ta mogłaby ulec znaczącej redukcji, gdyby infekcje były wykrywane od razu po ich rozpoczęciu. Jednak klasyczne metody detekcji bakterii są niezwykle czasochłonne - zajmują nawet do kilku dni. Kluczowe jest więc opracowanie szybkiej i czułej metody wykrywania patogenów. Innym źródłem bakteryjnych infekcji są zarazki obecne w produktach z krótką datą ważności (np. jednodniowych sokach, tak popularnych w ostatnich latach). Aby artykuły tego typu nie stanowiły zagrożenia dla klientów, detekcja bakterii musi być przeprowadzona od razu po wyprodukowaniu. Skracanie czasu i zwiększanie czułości analiz służących do wykrywania bakterii jest więc istotne nie tylko w medycynie, ale także w ochronie środowiska czy przemyśle spożywczym.

Głównym przedmiotem naszego wynalazku jest czujnik do szybkiej detekcji bakterii oparty o bakteriofagi. Bakteriofagi (lub inaczej - fagi) to rodzaj wirusów, czyli cząstek zdolnych do atakowania i zabijania komórek ludzkich, zwierzęcych czy roślinnych. W przeciwieństwie do innych wirusów, bakteriofagi atakują wyłącznie bakterie. Są więc całkowicie niegroźne dla człowieka. Typowy bakteriofag zbudowany jest z główki, do której przyczepiony jest ogonek, zakończony włókienkami (Rysunek 1). To właśnie na włókienkach znajdują się receptory zdolne do wykrywania bakterii. Fagi mają wiele zalet: są tanie i łatwe w przygotowaniu. Jednak co najważniejsze mają wysoką selektywność, co oznacza, że danych rodzaj faga atakuje wyłącznie wybrany gatunek bakterii.

Choć były podejmowane próby tworzenia czujników opartych o bakteriofagi, wciąż wiele problemów nie zostało rozwiązanych. Jeden z nich wynika z faktu, że fagi potrafią wykrywać bakterie wyłącznie jednym końcem (zakończonym włókienkami). Gdy więc stworzymy warstwę fagów na powierzchni czujnika, większość z nich będzie ułożona tak, że ich włókienka będą zablokowane, a zatem będą one nieprzydatne w procesie detekcji bakterii. Przedmiotem naszego patentu jest więc metoda tworzenia warstwy fagów, uporządkowanych na powierzchni czujnika tak, aby jak najwięcej wyłapujących włókienek bakteriofagów było dostępnych dla bakterii w próbce. Wykorzystujemy w tym celu pole elektryczne.

Pole elektryczne pozwala na odpowiednie ustawienie fagów. Dzieje się tak, ponieważ fagi posiadają duży moment dipolowy. Oznacza to, że ich jeden koniec (główka) jest naładowany ujemnie, a drugi (włókienka) – dodatnio. Dzięki temu fag jako cała cząsteczka ustawia się w polu elektrycznym zgodnie z liniami takiego pola. Takie uporządkowanie fagów powoduje zdecydowane zwiększenie czułości bioczujnika. Aby umożliwić precyzyjne i kontrolowane tworzenie warstw uporządkowanych fagów, zaprojektowaliśmy i stworzyliśmy celkę do osadzania fagów na powierzchni złota.

Przygotowane przez nas zgłoszenie patentowe umożliwia stworzenie warstwy uporządkowanych fagów, pozwalającej na wyłapanie bakterii w czasie około 15 minut. W badaniach wstępnych wykorzystaliśmy bakteriofagi T4, zdolne do wyłapywania bakterii Escherichia coli, odpowiedzialnej za wiele infekcji zarówno wewnątrzszpitalnych, jak i pochodzenia środowiskowego (z wody czy pożywienia). Przygotowany przez nas patent pozwala więc w praktyce na stworzenie nowoczesnej, szybkiej i czułej metody do detekcji bakterii, która może być alternatywą dla stosowanych obecnie długotrwałych procedur, zarówno w medycynie jak i przemyśle spożywczym.

Potencjał komercjalizacji

Przedmiotem prezentowanego patentu jest proces przygotowania warstwy uporządkowanych fagów na powierzchni bioczujnika, jak i sam bioczujnik. Zaproponowana metoda może stanowić alternatywę dla obecnie stosowanych, długotrwałych metod detekcji bakterii w wielu dziedzinach.

Połączenie metody opisanej w prezentowanym patencie z odpowiednio dobranym przetwornikiem (czyli urządzeniem umożliwiającym przetworzenie sygnału wyłapania bakterii na inny sygnał, możliwy do odczytania przez osobę prowadzącą analizę) pozwoli na uzyskanie czułej i szybkiej (poniżej 20 minut) metody detekcji wielu bakterii.

Dzięki wysokiej selektywności bakteriofagów mamy pewność, że pomiar pozwoli na określenie ilości wyłącznie szukanych bakterii. Dodatkowo, nałożenie na różne miejsca na powierzchni czujnika, różnych rodzajów bakteriofagów umożliwi na detekcję wielu bakterii w jednym pomiarze. W efekcie pozwoli to na otrzymanie czułej i szybkiej metody określenia ilości wielu różnych bakterii na pomocą jednego pomiaru.