Grafensensorer kan upptäcka patogena bakterier

Sepsis, tidigare kallat blodförgiftning, är en infektion som kan leda till ett kraftigt immunsvar och cirkulationskollaps i kroppen. Sepsis ligger bakom ett av fem dödsfall globalt och är särskilt allvarligt för personer som smittas på sjukhus. Ungefär 30 procent av drabbade patienter dör eftersom det går för lång tid mellan att fastställa vilken mikroorganism de smittats av och start av en effektiv behandling. För närvarande tar detta timmar, men utvecklingen inom sensorteknik kan förkorta tiden markant.

– Vi utvecklade en enkel prototypsensor bestående av ren grafen. Vi mätte små förändringar i materialets elektriska resistans och kunde därigenom särskilja olika typer av bakterier. Prototypen visar hur grafen snabbt och enkelt kan särskilja två typer av bakterier. Nu försöker vi att hitta de egenskaper som kännetecknar de bakterier som oftast orsakar sepsis inom sjukvården. Utifrån det kommer vi att modifiera grafensensorerna så att de kan bli tillräckligt känsliga för att användas för diagnosticering på sjukhus, säger Ivan Mijakovic, professor i systembiologi vid Chalmers och Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability i Danmark.

Grafen har stor potential inom området

Intresset för att utveckla biosensorer för att upptäcka patogena bakterier och virus växer snabbt. Bland de nanomaterial som möjliggör extremt små och känsliga sensorer utmärker sig grafen på grund av de speciella ytegenskaperna och den elektriska ledningsförmågan. Grafen är ett tvådimensionellt skikt av kolatomer vars struktur ger en stor och mycket känslig yta.

– Kolatomerna har en sfär av elektroner över och under det ultratunna kolskiktet. Vi fäster elektroder i motsatta ändar av ytan och mäter elektriskt motstånd. I vår nya studie visar vi – till vår egen stora förvåning – att grafen är så känsligt att vi genom små förskjutningar i den elektriska laddningen inte bara kan upptäcka om det finns bakterier utan även i viss mån skilja mellan olika typer av bakterier på ytan, säger Ivan Mijakovic.

Bakterier varierar vanligtvis i storlek från 0,5 till 5 µm och har distinkta former – sfäriska, stavformade och spiralformade. Dessutom är de flesta bakterier inkapslade av en cellvägg som består av en peptidoglykan gjord av negativt laddad N-acetylglukosamin och N-acetylmuraminsyra. Detta lager är tjockare i grampositiva bakterier och tunnare i gramnegativa bakterier.

–​ Det här är främst en prototyp för att visa potentialen hos den här typen av sensorer. Utan att förändra något på grafenytan kan vi upptäcka om bakterier finns och urskilja deras små skillnader. Den här typen av sensorer skulle kunna vara användbara på ytor som måste hållas helt bakteriefria, såsom implantat, men vår prototyp är främst till för att visa att tekniken är möjlig. Nu kan vi ta konceptet ett steg längre, säger Santosh Pandit, forskare vid Chalmers och huvudförfattare till studien.

Del av europeiskt projekt

Prototypstudien är det första steget i ett stort europeiskt projekt som syftar till att utveckla sensorer som snabbt och exakt kan identifiera de patogena bakterier som idag utgör det största problemet inom vården.

– På människokroppen finns tusentals arter av bakterier och de flesta är faktiskt ofarliga eller nyttiga för oss. Vi måste därför kunna skilja dem åt och vi måste bestämma hur vi ska preparera grafenytan med antikroppar eller andra receptorer som är selektiva för specifika bakterier, säger Santosh Pandit.

Forskarna i det internationella projektet samarbetar därför med sjukhus för att samla in de mest relevanta och problematiska patogenerna.

– Vi "rakar" sedan av ytan på dessa bakterier för att avslöja vilka proteiner och biomarkörer som kännetecknar patogenerna. Vi kan sedan antingen skapa antikroppar mot peptiderna eller bygga små, organiska kemiska receptorer för dessa ytmolekyler. Det gör vi i samarbete med Nina Kann, professor i organisk kemi vid Chalmers, förklarar Santosh Pandit.

Specifikt och snabbt verktyg efterfrågas

Forskarna hoppas att de kan använda dessa olika typer av strategier för att vidareutveckla prototypversionen av grafensensorn till mycket mer avancerade chip.

– Sjukhus letar efter ett verktyg som är både mycket specifik och väldigt snabbt. Om den här tekniken lyckas skulle vi kunna minska svarstiden från timmar till kanske minuter så att läkarna kan agera snabbare och på så sätt rädda fler liv. Det initiala målet är därför bakterierna som orsakar sepsis på sjukhus och är livshotande för de mest utsatta patienterna. Men när vi väl har teknologin färdigutvecklad siktar vi också på att använda den för mindre akuta tillämpningar som kroniska infektioner eller i implantat, säger Ivan Mijakovic.

Läs den vetenskapliga artikeln Graphene-Based Sensor for Detection of Bacterial Pathogens av författarna Santosh Pandit, Yanyan Chen, Shadi Rahimi, Vrss Mokkapati, Alessandra Merlo och professor Ivan Mijakovic på avdelningen för systembiologi, Chalmers, och Mengyue Li and professor August Yurgens på institutionen för Mikroteknologi och nanovetenskap (MC2), Chalmers.