Vědkyně a vědci z Laboratoře funkčních biorozhraní Fyzikálního ústavu AV ČR pokročili ve vývoji kompaktního, plně přenosného a rychlého biodetekčního zařízení a demonstrovali jeho účinnost při detekci bakteriálních a virových patogenů v široké škále vzorků potravin.
Tento úspěch je výsledkem intenzivní týmové práce, inovativního myšlení a zapojení mladých vědkyň a vědců, kteří společně vytvořili technologii s potenciálem zlepšit diagnostiku v oborech potravinové bezpečnosti či medicíny. Velký podíl na tomto úspěchu má i účinná spolupráce s potenciálními koncovými uživateli, např. Ochrannou službou Policie ČR a dalšími subjekty.
Operátor v terénu nabere vzorek potenciálně kontaminované potraviny, vloží jej do přístroje, který během 30 minut provede jeho analýzu a sdělí, zda potravina obsahuje určitý typ patogenu a je bezpečné ji (vzhledem k tomuto patogenu) konzumovat, či nikoliv. Úkon, který obvykle trvá několik dní a vyžaduje zdlouhavou kultivaci v laboratorním prostředí, tak nyní zabere méně než hodinu. Přesně to přináší praktické využití biosenzorů z Laboratoře funkčních biorozhraní Sekce optiky FZÚ, které vyvíjí tým pod vedením Hany Lísalové.
Příběh úspěchu: Od nápadu k realizaci
Na počátku tohoto výzkumu a vývoje byla vize vytvořit biosenzor, který by byl schopen detekovat patogeny rychle a efektivně přímo v terénu, bez potřeby složité přípravy vzorků a nutnosti laboratorního vybavení a podmínek. „Příběh našich biosenzorů je příběhem skvělé týmové práce, kde každý člen přispěl svým jedinečným způsobem k dosažení našich cílů,“ říká Hana Lísalová, vedoucí laboratoře.
Unikátní je především rozsáhlost výzkumu, který se nesoustředí na vývoj pouze určité části, ale komplexního zařízení. Výsledky tak zahrnují nejen práci multidisciplinárního týmu, ale také spolupráci s řadou dalších výzkumných institucí v ČR a v zahraničí (např. s Masarykovou univerzitou nebo Mendelovou univerzitou v Brně, the Extreme Light Infrastructure ERIC, nebo Johannes Kepler University v Linci).
Již na začátku letošního roku tým Laboratoře funkčních biorozhraní publikoval článek, v němž ověřil účinnost systému na detekci S. aureus v průmyslově nezpracovaných mléčných výrobcích byla dosažena srovnatelná citlivost se standartní kultivační metodou, přičemž doba detekce byla snížena ze dnů na pouhých 30 minut. O tom to úspěchu jsme psali i na stránkách FZU.
V nedávné době pak spolu s vědci z MUNI a ELI ERIC demonstroval záchyt nebezpečné bakterie E. coli O 157:H7 přímo v mléku a zhomogenizovaném knedlíku a hamburgeru. Výsledky také ukázaly vysokou stabilitu funkčního povrchu a schopnost analýzy vysokého počtu vzorků, kdy i po analýze až 70 vzorků hamburgeru na jednom biočipu došlo k udržení požadovaných vlastností povrchu a schopnosti záchytu bakterie.
Jen samotná polymerní vrstva nestačí
Nejdůležitějším prvkem biočipu je polymerní antifoulingová nanovrstva, která zajišťuje, že na jeho povrchu neulpívají nečistoty obsažené v neupravených vzorcích, ale pouze patogeny, které má biočip identifikovat. Pouze vývoj biočipu na její bázi by však nebyl dostačující, proto se tým při vývoji soustředí i na další aspekty. Mezi ně patří vývoj analytického software, který v sobě obsahuje algoritmus na okamžité kvalitativní vyhodnocení analýzy. Výsledky výzkumu naznačují, že tato robustní metoda má potenciál jako jednoduchý nástroj pro automatizaci klasifikace vzorků, snadno adaptovatelná pro label-free metody, což podporuje její širší využitelnost. Dalším důležitým aspektem pro použití v terénu a pro analýzu většího počtu vzorků je i dlouhodobá stabilita vyvinutých vrstev, která byla prokázána v dalším výzkumu týmu. Biočipy si uchovávají své antifoulingové vlastnosti a schopnost ukotvení receptorů i po několika měsících skladování nejen ve vodním prostředí, ale i ve vysušeném stavu, při pokojové teplotě, v chladu i po zamražení.
Mikrofluidika pro zvyšování citlivosti biosenzoru
Nedílnou součástí biosenzoru je správně navržená mikrofluidika, tedy systém, který zajišťuje transport analyzovaného vzorku a jiných reagencií na povrch biočipu. Paralelně s testováním spolehlivosti a zrychlováním celého procesu pro koncového uživatele pracuje tým na celkovém usnadnění práce se zařízením a na zvyšování jeho citlivosti. Zaměřuje se přitom právě na vývoji nového mikrofluidního sytému a průtokové cely. Tým pod vedením Nicholase Scotta Lynna prokázal, že snížení výšky průtokové cely a použití radiálního toku vedlo k významnému zvýšení citlivosti detekce. Výzkum ukázal, že jednoduché úpravy průtokové cely mohou významně zvýšit citlivost biosenzoru ve srovnání s komerčně dostupnými celami.
Integrace metody křemenných mikrovah, mikrofluidního systému, biočipu s funkční nanovrstvou a průvodního software do jednoho přenosného zařízení, tak může pozitivně ovlivnit bezpečnost potravin. Výsledky tohoto výzkumu nyní testuje Ochranná služba Policie ČR, která se na samotném vývoji také podílela.
„Výsledky výzkumu biosenzorů v Laboratoři funkčních biorozhraní jsou zdárným příkladem toho, jak může věda pomoci řešit praktické problémy, pokud si vědci kladou ty správné otázky a houževnatě na ně hledají odpovědi. Výsledky jsou i odrazem stability výzkumného týmu a lehkosti, se kterou se do výzkumu biosenzorů na Fyzikálním ústavu daří lákat mladé lidi – od stážistů až po postdoktorandy,“ dodává Alexandr Dejneka, vedoucí Sekce optiky Fyzikálního ústavu AV ČR.
Jak to celé funguje?
Princip měření kombinuje zavedenou technologii křemenných mikrovah (QCM, z angl. quartz crystal microbalance) s inovativními polymerními nanovrstvami na povrchu křemenného krystalu. Tato hustě poskládaná nanovrstva, přípomínající strukturou kartáč, je složena z více komponent tak, aby umožňovala navázání specifických receptorů, ale zároveň odolávala nespecifickému ulpívání (foulingu) ze složitých vzorků potravin a případně také jiných typů koncentrovaných biologických vzorků. Díky této vrstvě je tak možné analyzovat i vzorky v původní formě, bez nutnosti složitých a pro terénní využití velmi nepraktických úprav a přečišťování. Na základě výběru a navázaného receptoru do nanovrstvy je navíc možné biosenzor „naladit“ na detekci konkrétního patogenu.
„Výzkum biosenzorů pro detekci reálných a tudíž potenciálně nebezpečných patogenů je velmi náročný, vyžaduje trávit dlouhé hodiny v laboratoři se zpřísněnou bezpečnostní kontrolou, nicméně společenský rozměr tohoto výzkumu je právě jedním z hnacích motorů, které mi pomáhají překonávat výzkumné překážky, stejně tak jako týmová podpora nebo prostor pro nové kreativní myšlenky,“ říká Michala Forinová, doktorandka z týmu Hany Lísalové, která se na tomto výzkumu významně podílí.
„Takto rozsáhlý interdisciplinární výzkum by nebylo možné vést bez stabilního zázemí a podpory, které Fyzikální ústav vědkyním a vědcům poskytuje. Instituce vytváří inspirativní prostředí, které motivuje k dosažení vynikajících výsledků a poskytuje možnost soustředit se na dlouhodobý základní výzkum,“ dodává Hana Lísalová.
Výzkum nadále pokračuje s cílem vytvářet nové generace biosenzorů, optimalizované pro specifické potřeby jednotlivých uživatelů. Zároveň se bude ještě více soustředit na hlubší pochopení mechanismů molekulárních interakcí na polymerních nanovrstvách. K tomu budou využívány inovativní přístupy, jako jsou metody jednomolekulové mikroskopie a pokročilé elektrochemické techniky.
- Autor článku: ne
- Zdroj: Akademie věd ČR
