Физики МГУ создали наносенсоры-детекторы бактерий

Ученые Московского университета с коллегами разработали новый класс гибридных оптических сенсоров, способных в режиме реального времени не только обнаруживать бактерии в растворах, но и проводить экспресс-анализ их устойчивости к антибиотикам. Об этом сообщили в пресс-службе вуза.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект №22-72-10062) и опубликовано в ведущих международных журналах ACS AppliedMaterials&Interfaces и ResultsinSurfacesandInterfaces.

Созданные сенсоры основаны на пористых кремниевых нанонитях, модифицированных биметаллическими наночастицами золота и серебра. Такая архитектура объединяет два взаимодополняющих оптических подхода: интерференционный (на основе эффекта Фабри–Перо) и спектроскопический, основанный на эффекте гигантского комбинационного рассеяния (ГКР, англ. SERS). Первый обеспечивает регистрацию бактерий по изменению эффективной оптической толщины сенсорного слоя, а второй – высокочувствительное выявление спектральных профилей, отражающих молекулярный состав клеточной стенки микроорганизмов без использования меток.

В качестве модельного организма была выбрана непатогенная бактерия Listeriainnocua, широко применяемая в микробиологических исследованиях. Благодаря морфологическому сходству и аналогичному строению клеточной стенки, L. innocua может рассматриваться как модель для апробации сенсоров, предназначенных для диагностики грамположительных патогенов, включая Mycobacteriumtuberculosis. Сенсоры продемонстрировали чувствительность к концентрациям бактерий от 3,2 миллиона КОЕ/мл в режиме SERS и от 6,4 миллиона КОЕ/мл в интерферометрическом режиме.

Антибиотикорезистентность остается одной из наиболее острых угроз глобальному здравоохранению: по данным ВОЗ, число устойчивых бактериальных штаммов неуклонно растёт, снижая эффективность стандартной терапии. В этих условиях особую значимость приобретают технологии, позволяющие быстро и надежно определять чувствительность микроорганизмов к антибиотикам.

Одним из ключевых результатов настоящего исследования стало подтверждение возможности применения разработанных сенсорных подложек для экспрессного анализа антибиотикорезистентности бактерий. При инкубации Listeriainnocua с различными антибиотиками непосредственно на поверхности сенсоров регистрировались воспроизводимые изменения в спектрах ГКР, отражающие молекулярный ответ клеток на антимикробное воздействие. Динамика изменения интенсивности диагностических пиков, в частности в области 736 и 1320 сантиметров, позволяла в режиме реального времени дифференцировать чувствительность бактерий к различным препаратам. Предложенный подход не требует длительного культивирования и обеспечивает информативный спектроскопический отклик уже в течение первых часов наблюдения, значительно превосходя по скорости традиционные фенотипические методы, применяемые в клинической микробиологии.

«Мы создали платформу, сочетающую высокую молекулярную чувствительность, воспроизводимость сигнала и оперативность получения результата. Такие системы обладают потенциалом стать основой компактных диагностических устройств для экспресс-идентификации бактериальных инфекций и подбора эффективной антимикробной терапии непосредственно в месте оказания медицинской помощи», — подчеркивает инициатор разработки, заведующая лабораторией кафедры медицинской физики физического факультета МГУ Любовь Осминкина.

Исследование выполнено коллективом физического факультета и факультета наук о материалах МГУ имени М.В. Ломоносова и НИЦ эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи. 

Благодаря масштабируемости технологии и применению биосовместимых материалов, разработка может быть адаптирована для широкого спектра задач в медицине, санитарной микробиологии, пищевой промышленности и экологическом мониторинге.

Следите за важными новостями в Телеграм-канале Информационного центра Правительства Москвы