신속하고 라벨링

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21413(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

이 연구에서 우리는 새로운 자극-반응 티머 나노브러시 재료를 사용하여 Listeria monocytogenes를 검출하기 위한 신속하고 라벨이 없는 전기화학적 바이오센서의 개발을 보여줍니다. 나노브러시는 나노백금(Pt)과 알기네이트 티오머(ALG-티오머)의 1단계 동시 공증착을 통해 개발되었습니다. ALG-티오머/Pt 나노브러시 플랫폼은 전극의 평균 전기 활성 표면적을 7배까지 크게 증가시켰으며 알기네이트의 작동 특성(pH 자극 삼투압 팽창)을 유지했습니다. 브러시 작동 중 유전체 거동은 알긴산염의 등전점 위와 아래에 양전하, 중성 및 음전하를 띤 산화환원 프로브로 특성화되었으며, 이는 ALG-티오머 표면 전하가 신호 획득에 중요한 역할을 한다는 것을 나타냅니다. ALG-티오머 플랫폼은 바이오센싱 응용을 위해 Listeria의 Internalin A 단백질에 대해 선택적인 앱타머를 사용하여 생체 기능화되었습니다. 압타머 로딩이 최적화되었고 다양한 세포 포획 전략이 조사되었습니다(브러시 확장 대 축소). ALG-티오머/압타머가 확장된 형태(pH > 3.5)에 있을 때 최대 세포 포획이 발생하고 이어서 붕괴된 형태(pH < 3.5)에서 임피던스 측정이 이루어집니다. 복잡한 식품 매트릭스(닭 국물)에서 낮은 농도의 박테리아(5 CFU mL-1)가 감지되었으며 다른 그람 양성 박테리아(Staphylococcus aureus)에 대한 선택성 테스트는 이러한 pH 값에서도 앱타머 친화력이 유지된다는 것을 나타냅니다. 새로운 하이브리드 연질 소재는 현재까지 L. monocytogenes 바이오센싱에 가장 효율적이고 빠른(17분) 소재 중 하나이며 샘플 전처리가 필요하지 않아 소분자 또는 세포 감지를 위한 유망한 신소재 플랫폼을 구성합니다.

리스테리아 모노사이토게네스(Listeria monocytogenes)는 환경(토양 및 물)에 널리 퍼져 있는 독성 식품 매개 박테리아로, 매년 미국에서 수백 명의 사망을 초래합니다1,2. 매년 약 4,800만 건에 달하는 식중독 사례가 보고되며, 그 중 약 19%는 리스테리아 모노사이토게네스(Listeria monocytogenes) 감염으로 인해 의료 비용, 생산성 손실, 인명 손실로 인해 잠재적으로 150억 달러의 부정적인 경제적 영향을 미칠 수 있습니다3,4. 근육통, 메스꺼움, 설사, 구토, 오한 등의 증상을 보이는 L. monocytogenes는 가장 치명적인 식중독 병원체 중 하나이며, 고위험군에서는 치사율이 최대 30%에 이릅니다5,6. 이는 임산부에게 특히 위험합니다. 일반적으로 회복되더라도 아기가 생존하지 못할 수도 있습니다2.

리스테리아 모노사이토게네스(Listeria monocytogenes)는 낮은 수분 함량, 높은 염도 조건 또는 일반 냉장고/냉동고 장치와 관련된 온도에서 증식할 수 있는 능력으로 인해 식품 가공 환경에서 모니터링하기 어려운 병원체입니다7. 바로 먹을 수 있는 식품에 포함된 L. monocytogenes에 대한 무관용 규칙은 미국 식품의약국(FDA), 미국 농무부(USDA) 및 유럽 연합(EU)1에 의해 시행되었습니다. 최근 몇 년간 리스테리아 오염과 관련된 식품 회수 건수가 증가함에 따라8 대중에게 공개되기 전에 오염된 식품을 식별할 수 있는 실시간 병원체 탐지 방법의 필요성이 더욱 강화되었습니다.

TVC(총 생존 수), ELISA(효소 결합 면역흡착 분석), PCR(중합 효소 연쇄 반응)을 포함하여 식품 가공 공장에서 리스테리아를 검출하는 현재의 최첨단 기술은 오류 및 잘못된 판독이 발생할 수 있습니다. 완료하려면 고도로 훈련된 인력을 갖춘 값비싼 실험실 설정이 필요합니다9,10. 이러한 방법의 테스트 결과는 정성적 검출 단계 이전에 박테리아를 농축/증폭하기 위해 2개의 연속 농축 단계(최대 48시간)가 필요하여 심각하게 지연됩니다11. 이러한 방법에는 감도가 부족하기 때문입니다[~ 100 CFU mL−1 검출 한계(LOD) ]12,13 배지, 국물 또는 균질화된 조직과 같은 복잡한 샘플에서 낮은 수준의 병원체를 직접 검출할 수 없습니다.

0.97), the sensitivity to the target bacterium was obtained using the slope of the linear portion and then the 3σ method was used to calculate the limit of detection (LOD)39. Change in impedance (\(\mathrm{\Delta Z}= {Z}_{bacteria}-{Z}_{no \, bacteria}\)) was used to illustrate the electrodes performance independent of media. Selectivity to L. monocytogenes was evaluated by determining sensitivity and LOD in the presence of the identical concentration of another Gram-positive bacteria (S. aureus) in PBS and in sterile vegetable broth./p>

3.5 is noted as (EX), the collapsed brush conformation at pH < 3.5 is noted as (COL), the cell capture state is noted by (cap) and the electrochemical measurement step is noted by (meas). Cell capturing in the extended conformation (pH 7) and sensing at collapsed state (pH 3) provided the highest impedance values (p < 0.05) for all cutoff frequencies and, therefore, sensing efficiency (see also Bode plots in Fig. S3 in the supporting information). The optimum capture of targeted bacteria at the extended form can be related to a higher contact area with the tested solution and an increased probability of aptamer-cell interaction, compared to pH 3 at which the brushes are contracted, and the receptor binding site(s) may be inaccessible. Similar to our previous work on this capture strategy, it is likely that the cells become entangled in the polymer matrix during the sensing step, where aptamer-target binding may no longer be the mechanism for cell capture but rather entanglement during nanobrush collapse. The specificity for this detection platform is rooted in the initial affinity between aptamer and target at pH 7 (extended ALG-thiomer nanobrush), where the collapse at pH 3 likely causes secondary structure changes in the aptamer but also entraps cells in the polymer matrix./p> 0.05) on the LOD (4.5 ± 0.8 CFU mL−1 with L. monocytogenes alone and 5.7 ± 2.1 CFU mL−1 with both bacteria) indicating no cross-reaction between the sensor and S. aureus. The sensitivity increased (p < 0.05) from 39.21 ± 2.61 Ω/log(CFU mL−1) with L. monocytogenes alone to 69.34 ± 2.79 Ω/log (CFU mL−1) when S. aureus was also present. The linear range also changed from 101 to 106 CFU mL−1 with only L. monocytogenes in PBS to 101–105 CFU mL−1 in the bacteria mixture. Ohk et al.29 presented a LOD of 103 CFU mL−1 using the same aptamer in a fiber-optic biosensor to detect Listeria spp. Recently, Oliveira et al.31 using the same aptamer presented similar LODs compared to the current study for L. monocytogenes alone in PBS and in the presence of S. aureus, 2.5 and 2.6 CFU mL−1, respectively; using actuation of chitosan/platinum brushes. While antibody sensors are reported to be prone to give false-positive reactions with S. aureus, which is also a protein A carrier, the aptamer used in the present work was proven to be selective to L. monocytogenes29. This aptamer targets the surface protein Internalin A which is one of the major invasion proteins involved in pathogenesis29. Despite the fact that this protein is structurally analogous to certain cell-wall proteins with internal repeats identified in members of the genera Staphylococcus and Streptococcus65, the present results corroborate that this aptamer can be selective to L. monocytogenes./p> 0.05) to the results in PBS. These results also indicate that the aptamer is able to selectively bind to L. monocytogenes even in complex food matrices. Using the same aptamer, Hills et al.30 reported a slightly higher LOD of 9.1 CFU mL−1 in vegetable broth with a layer by layer reduced graphene oxide/nanoplatinum/chitosan brush electrode that actuated based on chitosan's pH-response./p>

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