Nachweis von E. coli-Stämmen mittels molekularer Elektronik

Einen schnellen und kostengünstigen Weg zu finden, um spezifische Stämme von Bakterien und Viren zu erkennen, ist entscheidend für die Lebensmittelsicherheit, die Wasserqualität, den Umweltschutz und die menschliche Gesundheit. Aktuelle Methoden zum Nachweis von krankheitserregenden Bakterienstämmen wie E. coli erfordern jedoch entweder zeitintensive biologische Zellkulturen oder DNA-Amplifikationsansätze, die auf teuren Laborgeräten basieren.

Jetzt haben Josh Hihath, ein außerordentlicher Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of California, Davis, und Kollegen an der University of Washington und der TOBB University of Economics and Technology in Ankara, Türkei, ein molekulares elektronisches Gerät namens Single Molecule Break Junction adaptiert, um RNA aus Stämmen von E. coli nachzuweisen, die dafür bekannt sind, Krankheiten zu verursachen. Die Ergebnisse wurden heute (5. November) in der Zeitschrift Nature Nanotechnology online veröffentlicht.

„Der zuverlässige, effiziente und kostengünstige Nachweis und die Identifizierung spezifischer Stämme von Mikroorganismen wie E. coli ist eine große Herausforderung in der Biologie und den Gesundheitswissenschaften“, sagt Hihath. „Unsere Technik könnte den Weg für einen schnellen und einfachen Nachweis von Krankheitserregern, antimikrobiell resistenten Bakterienstämmen und Biomarkern für Krebs ebnen.“

Hihath und sein Team konzentrierten sich auf E. coli, da es sich um einen häufigen Erreger handelt, der leicht in der Nahrungsversorgung zu finden ist, aber keine Krankheit in gutartiger Form verursachen kann. Der schlimmste Stamm von E. coli, genannt E. coli O157:H7, produziert eine giftige Substanz namens Shiga-Toxin, die blutigen Durchfall, Nierenversagen und sogar Tod verursacht.

Einzelmolekül-Bruchübergangsvorrichtungen bestehen aus zwei Metallelektroden mit atomar scharfen Grenzflächen, die in einer interessierenden flüssigen Lösung, wie beispielsweise einer Lösung mit RNA-Sequenzen von E.coli, in Kontakt gebracht werden. Da die Elektroden in Kontakt gebracht und auseinandergezogen werden, wird eine elektrische Vorspannung angelegt und der Strom gemessen. Dieser Prozess wird hunderte oder tausende Male wiederholt, um die Leitfähigkeit eines einzelnen Moleküls zu bestimmen.

„Eine der Fragen, die wir uns stellten, war, wie klein eine Änderung der Reihenfolge ist, um eine sinnvolle Änderung der elektrischen Leitfähigkeit zu bewirken“, sagte Hihath. „Das Kleinste, was wir ändern können, ist eine Single-Base, also haben wir uns entschieden, zu sehen, ob eine Single-Base Änderung gemessen werden kann.“

Durch die Untersuchung kurzer Sequenzen von RNA, die mit chemischen Linkern an die DNA gebunden sind, untersuchte das Team eine E. coli-Sequenz, die Shiga-Toxin produzieren würde. Ihre Ergebnisse zeigten, dass Veränderungen im elektrischen Widerstand der RNA aufgrund einer Single-Base-Änderung gemessen werden können, so dass sie nicht nur sehen können, ob eine Sequenz E.coli ist, sondern auch den spezifischen Stamm von E.coli, der Shiga-Toxin produziert.

„Ein System, das selektiv kurze Sequenzen von DNA oder RNA identifizieren kann, eröffnet neue Wege für die Entwicklung einer elektronischen Sensorplattform für ein breites Anwendungsspektrum“, ergänzt er. „Schließlich wollen wir so weit kommen, dass wir RNA-Proben aus echten Organismen extrahieren und deren Leitfähigkeit auf einer Sensorplattform messen können.“

Mehr Informationen:
Yuanhui Li et al, Nachweis und Identifizierung von genetischem Material durch Einzelmolekül-Leitwert, Nature Nanotechnology (2018). DOI: 10.1038/s41565-018-0285-x

Teilen Ist Liebe! ❤❤❤ 17 shares ❤❤❤

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

shares