Kwantowe kropki, mikroczipy i telefony komórkowe w walce z E.coli

Kropki kwantowe

Wielokrotnie podkreślałem tutaj, i pewnie jeszcze nie raz o tym wspomnę, jak nowe technologie mikrocieczowe pozwalają nam tworzyć tanie i przenośne urządzenia zdolne do analizy płynów fizjologicznych (np. określenie poziomu glukozy u cukrzyków, diagnostyka HIV i malarii), do sekwencjonowania DNA (patrz: niedawne ogłoszenie Oxford Nanopore), czy też do analizy próbek środowiskowych – np. wody na obecność groźnych substancji czy drobnoustrojów.

Tego typu badania oczywiście łatwo można przeprowadzić w laboratorium, a jakość takiego laboratoryjnego badania jest zazwyczaj zresztą lepsza, ale po pierwsze wymaga to transportu próbki – a nie zawsze laboratorium jest odległe o jedną podróż autobusem, po drugie jest to zazwyczaj zabieg nietani, a po trzecie takie eksperymenty zazwyczaj trwają kilka godzin do kilku dni.

ResearchBlogging.orgDlatego z otwartymi ramionami witamy każde nowe rozwiązanie, które może spowodować, że przynajmniej wstępne badanie – którego wynik może w razie potrzeby być zawsze przecie potwierdzony przez kwalifikowane laboratorium – będzie szybkie i tanie. Przykład takiego urządzenia, które wykorzystuje prosty układ kapilar, telefon komórkowy oraz kwantowe kropki, opisała w lutym grupa badaczy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w fachowym piśmie analitycznym, Analyst.

czip na ecoli
W okienku A. widać schemat budowy urządzenia opisanego w publikacji. Przeciwciała przeciw E.coli są związane ze ścianami kapilar i wyłapują z przepłukiwanej przez kapilary próbki bakterię, do której przyłączone jest kolejne przeciwciało ze związaną do niego kwantową kropką. Niewielkie diody pobudzają kwantowe kropki do emisji światła, które następnie jest rejestrowane za pomocą taniego detektora, który posiadamy dzisiaj niemal wszyscy: aparatu fotograficznego w telefonie komórkowym. W oknie B. widać, jak urządzenie wygląda w rzeczywistości. /Przedruk za zgodą RSC Publishing z Zhu et al., Analyst 2012 (online 12 lutego) ©2012

Badacze skonstruowali urządzenie służące do wykrywania w próbkach obecności bakterii E.coli – pałeczki okrężnicy. Bakteria ta występuje naturalnie w jelicie ludzkim, gdzie funkcjonuje w pełnej z nami symbiozie. Jednak w pewnych okolicznościach możne prowadzić do bardzo groźnych schorzeń: jest częstą przyczyną zakażeń ukłądu moczowego u osób cewnikowanych, może wywoływać poważne zatrucia pokarmowe, a także zapalenie opon mózgowych u noworodków. Jest też E.coli bakterią Gram-ujemną najczęściej wywołującą posocznicę (sepsę). Innymi słowy, jeśli wpadnie gdzie popadnie, to strach się bać.

Nie muszę więc chyba podkreślać dalej sensowności tego urządzenia. Uważni Czytacze i Czytaczki bloga jednak powinni od razu zadać mi proste pytanie: czemu to urządzenie, mimo że dość proste, jest mio wszystko znacznie bardziej skomplikowane niż papierowe czipy Whitesidesa? Kapilary jeszcze można zrozumieć (to odpowiednik polimerowych kanalików), ale po co telefon, po co kwantowe kropki?

Pies pogrzebany jest w czułości tych metod detekcji. W papierowych mikroczipach stosuje się najczęściej metodę kolorymetryczną: coś z czymś reaguje, papier zmienia kolor. I już. Metoda zastosowana w tej pracy jest znacznie bardziej wyrafinowana, gdyż pozwala – dzięki pomiarowi fluorescencji – wykryć znacznie mniejszą liczbę bakterii, niż bylibyśmy w stanie zobaczyć z pomocą jakiegokolwiek testu kolorymetrycznego (a mówimy tu o różnicach wielu rzędów wielkości). Zaś nieskomplikowany zapewne program do analizy graficznej pozwoli nam w dodatku powiedzieć nie tylko, że bakteria jest w próbce obecna, ale także na jakim poziomie.

Tu dwa słowa wyjaśnienia należą się kwantowym kropkom, bo to one są właśnie kluczem do całej metody. Zazwyczaj w tego typu testach stosuje się drogie barwniki fluorescencyjne. Kropki kwantowe to jednak nowe i coraz częstsze narzędzie w technikach optycznych. Wyprodukować można je z wielu różnych materiałów, a ciekawą ich cechą jest to, że kolor fali, którą emitują po wzbudzeniu, zależy od rozmiaru ziaren, które tworzą. Innymi słowy z tego samego materiału można otrzymać różnej wielkości ziarenka, które emitują wszystkie kolory tęczy.

Kropki kwantowe
Kwantowe kropki z tego samego materiału, ale w postaci nanokryształów o różnych rozmiarach, emitują fale, których długość zależy od wielkości tych kryształków. /źródło: flickr; Argonne National Laboratory (CC BY-NC-SA 2.0)

Co to oznacza? Oznacza to głównie tyle, że możemy sobie dobrać kropkę takiego rozmiaru, żeby dało się ją wzbudzić tanimi diodami, które kupimy za grosze (bardzo mocne diody, które działają prawie jak minilasery, można dzisiaj kupić za równowartość 10 złotych).

Porównanie E.coli i Salmonelli
Porównanie pomiarów dla zwiększających się stężeń E.coli oraz Salmonelli. Dla takiego prostego urządzenia można powiedzieć, że wynik jest zadowalający. / Przedruk za zgodą RSC Publishing z Zhu et al., Analyst 2012 (online 12 lutego) ©2012

Takie kropki następnie sprzęga się chemicznie z przeciwciałami i voila: test na E.coli gotowy. Prawdę powiedziawszy, w ten sposób można sporządzić test na cokolwiek, ale akurat E.coli byli zainteresowani autorzy pracy. Potwierdzili oni czułość swojej metody i sprawdzili także, czy aby przypadkiem nie jest tak, że urządzenie wykrywa wszystko, a nie tylko pałeczkę okrężnicy. Po prawej możecie zerknąć na porównanie wyników dla E.coli i Salmonelli. Badacze mierzyli fluorescencję dla próbek o zwiększających się stężeniach bakterii. E.coli wyraźnie frunie pod sufit, Salmonella też co prawda przyrasta, ale mieści się w granicach błędu – można więc z grubsza przyjąć, że jest, jakby jej nie było.

Autorzy z Kalifornii zademonstrowali zatem bardzo fikuśne urządzenie, łączące w sobie elementy z kilku bardzo zaawansowanych dziedzin nauki. Przy roztkliwianiu się nad takimi rozwiązaniami należy jednak pamiętać o jednej rzeczy, o której już w przeszłości wspominałem: tego typu urządzenia opierają się na reakcjach immunochemicznych, a więc koniec końców cena naszego urządzenia będzie zależała od kosztu przeciwciał, a te niestety tanie nie są. Także jakość analizy będzie zależała od jakości przeciwciał, a i na ten temat można dużo dyskutować. Z drugiej jednak strony jako wstępne, polowe, przesiewowe badanie próbek przed przesłaniem ich do porządnej analizy w laboratorium, jest to rozwiązanie idealne.

Zhu, H., Sikora, U., & Ozcan, A. (2012). Quantum dot enabled detection of Escherichia coli using a cell-phone The Analyst DOI: 10.1039/C2AN35071H

Advertisements

1 Comment

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s