Исследователи нашли способ удержать бактерии возле электрода для создания долговечных сенсоров
Исследователи из Университета Райса разработали инновационный биоэлектронный сенсор, использующий живые бактерии для генерации электрических сигналов при обнаружении определенных веществ. Эта технология открывает путь к созданию долговечных датчиков, способных эффективно мониторить состояние окружающей среды, включая сточные воды, контролировать качество пищевых продуктов и отслеживать параметры в промышленных системах.
Разработка опирается на способность бактерий естественным образом вырабатывать электричество в ответ на присутствие конкретных химических соединений, называемых аналитами. Микробные биоэлектронные сенсоры давно привлекают внимание ученых, так как бактерии могут выполнять множество функций, выживать в агрессивных средах и даже восстанавливаться с течением времени. Однако использование живых микроорганизмов в электронных устройствах до сих пор было затруднено: в традиционных сенсорах молекулы-посредники, переносящие электроны от микробов к электроду, часто вымывались в жидкой среде, а некоторые из этих переносчиков к тому же были токсичны.
Чтобы преодолеть эту проблему, команда создала новый биогибридный материал, который удерживает бактерии вблизи электрода и обеспечивает стабильную электронную связь. Ключевым элементом стал мягкий гидрогель на основе хитозана — природного полимера, содержащегося в панцирях ракообразных. Этот гидрогель действует как удерживающий слой, фиксируя бактерии рядом с электродом, но при этом позволяя жидкостям свободно проходить сквозь него. «В нашей системе хитозан действует как своеобразный панцирь, не дающий бактериям выбраться наружу», — объяснил соавтор исследования Рафаэль Вердуско.
Исследователи также модифицировали полимер хитозана, добавив в него «якорные точки» для закрепления редокс-медиаторов. Эти молекулы играют критическую роль в транспортировке электронов от бактерий к электроду. Благодаря пористой структуре гидрогеля жидкость с потенциальными аналитами свободно проникает внутрь, вступая в контакт с запертыми в материале бактериями. Ключевым новшеством стало использование редокс-активного полимера, который принимает электроны от бактерий и передает их дальше, обеспечивая прохождение электрического сигнала.
Работоспособность новой технологии ученые продемонстрировали, создав сенсор для обнаружения сакацина Р — антимикробного пептида, используемого в качестве консерванта в пищевых продуктах. Для генерации сигнала они сконструировали штамм бактерии L. plantarum, которая обычно встречается в ферментированных молочных продуктах. При контакте с сакацином Р бактерии начинали вырабатывать слабый электрический ток. Бактерии поместили в гидрогель и присоединили к электроду. Когда систему погрузили в образцы молока, содержащие сакацин Р, бактерии отреагировали и в течение нескольких часов сгенерировали обнаруживаемый электрический сигнал.
Поскольку гидрогель создан из безопасных и возобновляемых материалов, а используемые бактерии обычно присутствуют в пище, систему можно адаптировать для широкого круга задач. «Существует огромное количество электроактивных бактерий, поэтому потенциал для создания таких живых микробных устройств колоссален, — отметил Вердуско. — Этот гидрогель обеспечивает способ электронной коммуникации с бактериями, позволяя создавать живые биоэлектронные устройства для зондирования, производства химикатов или изоляции и уничтожения вредных веществ».
Исследование было в журнале Advanced Materials.