La difficoltà e la spesa per determinare l'esatto patogeno che causa un'infezione è una parte fondamentale della complessità dei trattamenti antibiotici. Un team guidato dai ricercatori del Boston College ha sviluppato un prototipo di sensore che utilizza un foglio di grafene e peptidi profondi un atomo per rivelare rapidamente quale specie batterica è presente in un campione e se è resistente agli antibiotici. Il transistor ad effetto di campo al grafene (G-FET) ha ottenuto una risoluzione a cella singola e un tempo di rilevamento di 5 minuti, che potrebbe portare a un targeting più accurato delle infezioni con antibiotici appropriati. Credito:Kenneth Burch, Boston College
Utilizzando un singolo foglio di grafene dello spessore di un atomo per tracciare i segnali elettronici inerenti alle strutture biologiche, un team guidato da ricercatori del Boston College ha sviluppato una piattaforma per identificare selettivamente ceppi mortali di batteri, un progresso che potrebbe portare a un targeting più accurato delle infezioni con antibiotici appropriati, la squadra ha riportato sul giornale Biosensori e Bioelettronica .
Il prototipo mostra il primo selettivo, rapido, e rilevazione elettrica poco costosa delle specie batteriche patogene Staphylococcus aureus e dell'Acinetobacter baumannii resistente agli antibiotici su un'unica piattaforma, ha detto il professore di fisica del Boston College Kenneth Burch, un co-autore principale del documento.
Il rapido aumento dei batteri patogeni resistenti agli antibiotici è diventato una minaccia globale, in gran parte a causa della prescrizione eccessiva di antibiotici. Ciò è dovuto in gran parte alla mancanza di rapidità, a buon mercato, scalabile, e diagnostica accurata, secondo il coautore e professore associato di biologia del Boston College Tim van Opijnen.
Particolarmente cruciale è identificare la specie batterica e se è resistente agli antibiotici, e farlo in una piattaforma che può essere facilmente utilizzata nella maggior parte dei punti di cura. Attualmente tale diagnostica è relativamente lenta, richiede da ore a giorni, richiede una vasta esperienza, e attrezzature molto costose.
I ricercatori della BC, lavorando con i colleghi della Boston University, sviluppato un sensore, noto come transistor ad effetto di campo al grafene (G-FET), che può superare le carenze critiche degli sforzi di rilevamento precedenti poiché è una piattaforma altamente scalabile che impiega peptidi, catene di più amminoacidi legati, che sono agenti chimici poco costosi e di facile impiego, secondo il co-autore e professore di chimica aC Jianmin Gao.
Il team ha cercato di dimostrare che potrebbe costruire un dispositivo in grado di "rilevare rapidamente la presenza di ceppi e specie batteriche specifici, sfruttando la grande quantità di carica elettrica sulla loro superficie e la capacità di catturarli con peptidi sintetici di nostra progettazione, " disse Burch.
L'iniziativa si è basata sulla precedente ricerca di van Opijnen e Gao, che in precedenza avevano scoperto che i peptidi erano altamente selettivi, ma a quel tempo richiedevano costosi microscopi a fluorescenza per la loro rilevazione. Oltre a Burch, Gao, e van Opijnen, i principali coautori del documento includevano Xi Ling, Assistant Professor di Chimica dell'Università di Boston.
Il team ha modificato i peptidi esistenti per consentire loro di legarsi al grafene, un singolo strato atomico di carbonio. I peptidi sono stati progettati per legarsi a batteri specifici, rifiutando tutti gli altri. In sostanza, il G-FET è in grado di monitorare la carica elettrica sul grafene, esponendolo a vari agenti biologici.
A causa della selettività dei peptidi, i ricercatori sono stati in grado di individuare il loro attaccamento al ceppo batterico desiderato, il team ha riportato nell'articolo "Dielettroforesi assistita rapida, rilevamento selettivo e unicellulare di batteri resistenti agli antibiotici con G-FET." Monitorando elettricamente la resistenza e, in definitiva, caricare sul dispositivo, la presenza di batteri attaccati al grafene potrebbe essere risolta, anche per una singola cella.
Per consentire una maggiore velocità e un'elevata sensibilità, un campo elettrico è stato posto sul liquido per guidare i batteri al dispositivo, sfruttando nuovamente la carica sui batteri, ha riferito la squadra. Questo processo, nota come dielettroforesi, non era mai stato applicato in precedenza a sensori a base di grafene e potrebbe potenzialmente aprire la porta a un notevole miglioramento degli sforzi in quel campo per impiegare il grafene per il biorilevamento, ha riferito la squadra.
"Siamo rimasti sorpresi dal modo in cui i batteri sono stati guidati elettricamente verso i dispositivi, " ha detto Burch. "Pensavamo che avrebbe in qualche modo ridotto il tempo richiesto e la concentrazione necessaria. Anziché, ha funzionato così bene che il campo elettrico è stato in grado di ridurre la concentrazione necessaria di batteri di un fattore 1000, e ridurre il tempo di rilevamento a cinque minuti."
