Postawione "na głowie" wirusy zwiększą skuteczność bioczujników

"Kiedy jestem chory, w szpitalu i trzeba mi szybko podać lek, to bardzo ważna jest informacja, która bakteria wywołała moją chorobę, aby podać odpowiedni antybiotyk. Do tej pory identyfikacja bakterii zajmowała od 24 godzin do nawet kilku dni. Tak długie oczekiwanie jest w tej sytuacji dosyć ryzykowne" - mówi PAP dr Jan Paczesny z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie.

Sytuacja wygląda podobnie w przemyśle spożywczym. Najlepszym przykładem mogą być jednodniowe soki. Co prawda sprawdza się w nich obecność bakterii, jednak informacja o tym, czy są bezpieczne, jest dostępna dopiero po 3-4 dniach, czyli właściwie wtedy, kiedy już zostały spożyte.

"My za cel postawiliśmy sobie skrócić czas tej analizy. Myśleliśmy, jak to zrobić i wybraliśmy naturalnego przeciwnika bakterii, jakim jest bakteriofag, czyli wirus atakujący bakterie" - wyjaśnia rozmówca PAP. Tego naturalnego przeciwnika bakterii naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN wykorzystają do budowy bioczujników.

Najważniejszą cechą bakteriofagów, umożliwiającą wykorzystanie ich w bioczujnikach jest to, że potrafią specyficznie związać się z danym gatunkiem bakterii. Niektóre wiążą się tylko z jednym szczepem bakterii, inne z jednym gatunkiem, a bardzo rzadko z całą rodziną. "Bakteriofag wiąże do ściany bakterii i wpuszcza swój materiał genetyczny do jej środka, aby mógł się namnożyć. Gdyby wpuścił go do przypadkowej bakterii, ta po prostu by go zignorowała" - opisuje dr Paczesny.

"Bioczujniki do detekcji poszukiwanego związku wykorzystują element sensoryczny, który pochodzi z natury. To mogą być kwasy nukleinowe, przeciwciała, enzymy" - mówi badacz. Natura jest w tej sytuacji sprzymierzeńcem człowieka, bo od trzech miliardów lat ewolucja przystosowuje te biologiczne czynniki do pełnienia danej funkcji. Dzięki temu są "specyficzne", czyli nie ma ryzyka, że dadzą nam fałszywie pozytywny czy fałszywie negatywny wynik badania diagnostycznego.

Szkopuł w tym, że naukowcy nie do końca potrafią jeszcze naśladować naturę w tej dziedzinie. Dlatego bioczujniki obecnie stosowane do detekcji bakterii nie są wystarczająco skuteczne i szybkie. "Nie potrafimy stworzyć sztucznych układów, które byłyby tak wyspecjalizowane jak układy naturalne" - przyznaje dr Paczesny. "My w Instytucie Chemii Fizycznej PAN nie wymyśliliśmy koła, ale zadaliśmy sobie pytanie: dlaczego te czujniki cały czas nie są wystarczająco dobre" - zaznacza.

W swojej pracy naukowcy skupili się na momencie wiązania bakteriofaga do ściany bakterii. Receptory, którymi bakteriofag może związać się z bakterią są tylko z jednej strony: na końcu włókienek. Z drugiej strony bakteriofaga jest kapsyd, czyli przypominająca główkę białkowa część wirusa. "To jednak włókienka sprawdzają: to moja bakteria, mogę się z nią związać" - mówi Paczesny.

Problem pojawia się, kiedy czułki bakteriofaga są zablokowane. Wtedy nie ma on szans związania się z bakterią. "Jeżeli wyobrazimy sobie podłoże, na którym przypadkowo rozłożymy te bakterifagi, to większość z nich będzie w położeniu niedostępnym. Czułki będą zablokowane przez np. samą powierzchnię czujnika czy sąsiada" - wyjaśnia rozmówca PAP.

Badacze wymyślili więc sposób na uporządkowanie bakteriofagów. "Musztrujemy je, aby stały na kapsydach, czyli de facto na głowie. Dzięki temu wszystkie czułki - włókienka mają możliwość złapania swojej bakterii" - mówi dr Paczesny. Tę musztrę umożliwia pole elektryczne, z którym oddziałuje bakteriofag. Odpowiednio zaprojektowane wymusza prostopadłe ustawienie bakteriofagów.

"Sprawdziliśmy. Wszystko działa. Mamy około 400-procentowy wzrost czułości w stosunku do nieuporządkowanych bakteriofagów. Teraz pracujemy nad tym, aby zwiększyć też ich ilość na powierzchni. Bakteriofag - podobnie jak człowiek - gdy leży zajmuje dosyć dużo miejsca. Na powierzchni bioczujnika można więc upakować więcej bakteriofagów w pozycji «stojącej» niż «siedzącej». Chcemy dojść do poziomu, w którym będziemy w stanie wykrywać minimum 10 bakterii w jednym mililitrze. To już byłby bardzo dobry wynik" - zaznacza rozmówca PAP.

Ewelina Krajczyńska (PAP)