Ζωντανά βακτήρια μετατρέπονται σε βιοηλεκτρικούς αισθητήρες με υδρογέλη

Μια νέα μέθοδος από ερευνητές του Πανεπιστημίου Rice μετατρέπει ζωντανά βακτήρια σε βιοηλεκτρικούς αισθητήρες χρησιμοποιώντας ένα σύστημα τζελ βασισμένο σε χιτοζάνη. Οι μικροβιακοί βιοηλεκτρονικοί αισθητήρες αξιοποιούν βακτήρια που παράγουν ηλεκτρικό σήμα σε απάντηση σε ουσίες-στόχους, όπως αντιβιοτικά ή μικρορύπους, προσφέροντας πλεονεκτήματα έναντι παραδοσιακών αισθητήρων βασισμένων σε πρωτεΐνες ή ένζυμα. Τα βακτήρια μπορούν να εκτελούν πολλαπλές λειτουργίες, να επιβιώνουν σε διαφορετικά περιβάλλοντα και να αναγεννώνται, εξασφαλίζοντας μακροχρόνια λειτουργικότητα.

Προκλήσεις στη Χρήση Ζωντανών Βακτηρίων

Η χρήση ζωντανών βακτηρίων σε αισθητήρες παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες. Οι μεσολαβητές που μεταφέρουν ηλεκτρόνια μπορούν να διασπαρούν σε υγρά περιβάλλοντα, όπως λύματα, και κάποιοι από αυτούς μπορεί να είναι τοξικοί για τον άνθρωπο ή το περιβάλλον. Ο Rafael Verduzco, καθηγητής Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής, ανέπτυξε έναν ασφαλή βιοηλεκτρονικό αισθητήρα που επιτρέπει αποτελεσματική ηλεκτρονική επικοινωνία ακόμη και σε υγρά περιβάλλοντα, όπως δημοσιεύθηκε στο Advanced Materials.

Η Καινοτομία της Χιτοζάνης

Το σύστημα χρησιμοποιεί χιτοζάνη, ένα φυσικό πολυμερές που βρίσκεται στα κελύφη καρκινοειδών. Στο νέο σύστημα, η χιτοζάνη δημιουργεί ένα κέλυφος γύρω από τα βακτήρια, εμποδίζοντας την απελευθέρωσή τους. Παράλληλα, παρέχει σημεία αγκύρωσης για τους οξειδοαναγωγικούς μεσολαβητές που μεταφέρουν τα ηλεκτρόνια προς το ηλεκτρόδιο, ενισχύοντας την απόδοση του ηλεκτρικού σήματος. Η χιτοζάνη είναι χαμηλού κόστους, ανανεώσιμη και ευέλικτη, καθιστώντας την ιδανική για πρακτικές εφαρμογές.

Ο Ρόλος της Υδρογέλης

Ο διδακτορικός φοιτητής Xinyuan Zuo ανέπτυξε μια υδρογέλη που παγιδεύει τα βακτήρια κοντά στο ηλεκτρόδιο, επιτρέποντας στο υγρό περιβάλλον να κυκλοφορεί γύρω από τα βακτήρια χωρίς να τα απελευθερώνει. Οι υδρογέλες είναι μαλακές και πορώδεις, επιτρέποντας τη ροή αναλυτών προς τα βακτήρια. Παράλληλα, η χρήση ενός οξειδοαναγωγικού πολυμερούς βασισμένου στη χιτοζάνη επέτρεψε την αποτελεσματική μεταφορά ηλεκτρονίων από τα βακτήρια στο ηλεκτρόδιο, δημιουργώντας ένα σταθερό ηλεκτρικό ρεύμα.

Δοκιμή σε Τρόφιμα

Οι ερευνητές δοκίμασαν τον αισθητήρα με γάλα που περιείχε σακακίνη P, ένα αντιμικροβιακό συντηρητικό. Χρησιμοποιώντας τροποποιημένο Lactobacillus plantarum, τα βακτήρια παρήγαγαν ηλεκτρισμό όταν ανίχνευσαν τη σακακίνη. Το ηλεκτρόδιο κατέγραψε το ηλεκτρικό σήμα μέσα σε λίγες ώρες, αποδεικνύοντας ότι η υδρογέλη λειτουργεί ως ασφαλής και αποτελεσματικός μεταγωγέας σήματος. Το L. plantarum είναι ασφαλές για τρόφιμα και το περιβάλλον, καθιστώντας την τεχνολογία κατάλληλη για διάφορες εφαρμογές.

Πιθανές Εφαρμογές

Το σύστημα ανοίγει τον δρόμο για τη δημιουργία ζωντανών βιοηλεκτρονικών συσκευών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για:

• Ανίχνευση χημικών ουσιών ή τοξινών σε τρόφιμα και περιβάλλον

• Χημική παραγωγή ή βιομετατροπή ουσιών

• Απομόνωση ή καταστροφή επιβλαβών χημικών παραγόντων

Η ευέλικτη υδρογέλη επιτρέπει τη χρήση διαφόρων ηλεκτροενεργών βακτηρίων, επεκτείνοντας σημαντικά το δυναμικό της τεχνολογίας.

Η τεχνολογία αυτή ανοίγει νέους ορίζοντες στη βιοαισθητήρια, επιτρέποντας τη δημιουργία ζωντανών συσκευών που συνδυάζουν την ανθεκτικότητα και την αναγεννητική ικανότητα των βακτηρίων με τη δυνατότητα ηλεκτρονικής ανίχνευσης σε πραγματικά περιβάλλοντα.