Smartphone-sensor kan opspore beskidt vand
Ved hjælp af DNA-magnetiske partikler kan vi med rekordfart registrere colibakterier i drikkevandet.
colibakterier vand smartphone sensor sygdom bakterier vandforsyning drikkevandsforsyningen sundhedsrisiko detektion DNA-magnetisk partikelteknologi nano-magneter app telefon

En hurtig, let og billig metode til detektion af colibakterier er afgørende for folkesundheden. (Foto: Shutterstock)

Vi er heldige i Danmark og de fleste andre europæiske lande. Vi skal almindeligvis ikke bekymre os om bakterier, når vi tapper et glas vand fra vandhanen i de hjemlige gemakker eller andetsteds.

Takket være en velkontrolleret vandforsyning oplever vi kun meget sjældent bakteriel forurening af drikkevandsforsyningen.

Men ind imellem sker det alligevel, og især i åbne vandtanke hvor det kan udgøre en sundhedsrisiko.

Eksisterende metoder til detektion af colibakterier er langsomme og ofte bekostelige, så vi satte os for at udvikle en hurtigere og billigere metode ved hjælp af en lille biosensor, der styres fra en smartphone.

Afføring i drikkevandet

Videnskabeligt set, er colibakterier naturlig forekommende flora, der stammer fra tarmene hos dyr eller mennesker.

Så når bakterierne bliver fundet i vand, eksempelvis en sø, en bæk eller vandet, der kommer ud af vandhanen, er det et tegn på fækal kontaminering.

Og ja, du har gættet rigtigt; det er afføring, der forurener drikkevandet som følge af lækager i sanitetssystemet.

Det kan også være tegn på tilstedeværelsen af ​​andre patogener som bakterier, vira og parasitter, som vi absolut bør undgå. Indtagelse af disse og lignende patogener kan forårsage diarré og kolera, mens parasitter kan forårsage opkastning og irritabel tarmsyndrom.

Det er derfor ikke så overraskende, at en hurtig og sensitiv overvågning er afgørende for at beskytte folkesundheden.

En nano-detektiv i din telefon

Ifølge Verdenssundhedsorganisationen (WHO) er drikkevandet sikkert og rent, når det ikke indeholder bakterier – ikke én eneste bakterie i 100 ml vand.

Det er som at finde én enkelt fisk i hele havet. En vanskelig opgave!

sensor dna magnetisk vand coli bakterier opdage

Sensoren bruger DNA-modificerede magnetiske partikler i en vandprøve. Partiklerne binder sig til colibakterierne og isoleres af en anden, større magnet. Derefter analyserer vi for colibakterier ved hjælp af en smartphone-anordning. (Illustration: Deby Fapyane/ScienceNordic)

Vi gør det ved at dyrke bakterierne ekstraheret fra en vandprøve i et særligt medium i 24 til 48 timer, og derefter granske den under et mikroskop for at se, om den indeholder colibakterier.

Denne metode fungerer, men det kan tage op til tre dage og kræver en uddannet specialist; så det er ikke en metode, der gør meget gavn ved nødstilfælde. 

Desuden er metoden temmelig bekostelig; helt op til 55 dollar.

Vores nye sensor detekterer derimod colibakterier direkte fra vandprøven. Og i modsætning til den traditionelle metode kan den opspore én enkelt coli-celle på mindre end én time.

Sådan fungerer sensoren

Bestil et gratis foredrag om 'The nanodetective'

Deby Fapyane er med i 'Bestil en Forsker'-ordningen - en del af Forskningens Døgn - og kan til og med 3. april bookes gratis til at holde et foredrag mellem 20.-26. april. Det tilbud gælder også for de øvrige forskere i ordningen. 

Foredragets titel er 'The Nanodetective: Detection of Microorganisms in the Environment' og kan bestilles her

Vores sensor benytter såkaldt DNA-magnetisk partikelteknologi, som 'opsnuser' og isolerer specifikke bakterier ved hjælp af bittesmå nano-magneter, der kan aflæses på en særlig anordning styret af en app på telefonen.

For at analysere for forurening tager man en vandprøve, som man tilsætter de små magnetiske partikler, der er designet, så de 'opsporer' og binder sig til specifikke bakterier; i dette tilfælde colibakterier.

Så nedsænker man sensorstrimlen i vandprøven. Det er endnu en magnet, der trækker de DNA-magnestiske partikler, der er bundet til colibakterierne, til sig,

DNA-strimlen sættes så ind i en anordning, der foretager elektrokemiske målinger for at afsløre colibakterier i prøveemnet.

Ny sensor slår andre avancerede teknikker

Vores sensor er selvfølgelig ikke det eneste avancerede værktøj, som kan detektere colibakterier; der er adskillige andre teknologier på markedet.

De fleste af dem benyttter optiske og elektriske beregninger og målinger for at kunne detektere bakterier.

Optiske teknikker detektere ofte farveforandringer og organismernes fluorescens i vandprøven.

Denne teknik kan kun bruges i klart vand, så den er ikke meget værd i eksempelvis plumrede eller ufiltrerede vandprøver.

Vandprøverne skal filtreres, før de kan analyseres, hvilket udvider processen med endnu et trin – og gør, at det tager længere tid.

Elektriske målinger detekterer bakterier, hvis de registrerer et fald i elektriske signaler som følge af cellevæggens isolerende egenskaber.

Teknikken er især brugbar, fordi den kan miniaturiseres – lige som smartphone-sensoren – og derfor kan installeres som en konstant vandkilde-monitorering.

Men den har en afgørende svaghed. Det resulterer ofte i falske signaler fra partikler, som har den samme størrelse som bakterierne.

ForskerZonen

Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde.

Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.

Hurtig, målrettet tilgang

Når vi bruger DNA-magnestiske partikler, kan vi arbejde målrettet mod specifikke bakterier; i dette tilfælde colibakterierne, og vi kan ignorere andre almindelig forekommende bakterier, der ellers kan forstyrre e.coli-signalet.

Et eksempel er Bacilus, som er at finde i floder verden over.

Ved at målrette indsatsen mod én særlig bakterietype kan vi estimere yderligere trin, som eksempelvis filtrering, der fjerner andre bakterier som Bacilus.

Vi opdagede også, at det er muligt at bruge mere end én DNA-sekvens til at detektere adskillige bakterier i én vandprøve. 

Vi kalder det 'multiplexing detection', og det betyder, at miljøovervågningen er endnu mere tids- og omkostningsvenlig.

Der er stadig arbejde at gøre, før sensoren er optimalt virkende og klar til at blive taget i brug i industrien.

Vi mangler eksempelvis stadig at simplificere den indledende behandling og registrering af prøveemnet, så det kan foretages i anordningen.

Vi håber at være klar i løbet af de næste to til tre år.

Så vil den nye sensor være klar til brug til monitorering af drikkevand – ikke kun i Danmark, men andre steder i verden, hvor rent vand ofte er mere dyrebart end selv guld.

Læs artiklen på engelsk hos ScienceNordic. Oversat af Stephanie Lammers-Clark.

Ugens Podcast

Lyt til vores ugentlige podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.