RU2437937C1 - METHOD FOR Escherichia coli BACTERIA IDENTIFICATION BY DETECTING THEIR FRAGMENTS BY ATOMIC-FORCE MICROSCOPY - Google Patents

METHOD FOR Escherichia coli BACTERIA IDENTIFICATION BY DETECTING THEIR FRAGMENTS BY ATOMIC-FORCE MICROSCOPY Download PDF

Info

Publication number
RU2437937C1
RU2437937C1 RU2010116544/10A RU2010116544A RU2437937C1 RU 2437937 C1 RU2437937 C1 RU 2437937C1 RU 2010116544/10 A RU2010116544/10 A RU 2010116544/10A RU 2010116544 A RU2010116544 A RU 2010116544A RU 2437937 C1 RU2437937 C1 RU 2437937C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fragments
washing
escherichia coli
bound
detecting
Prior art date
Application number
RU2010116544/10A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010116544A (en
Inventor
Евгений Владимирович Дубровин (RU)
Евгений Владимирович Дубровин
Галина Николаевна Федюкина (RU)
Галина Николаевна Федюкина
Сергей Владимирович Краевский (RU)
Сергей Владимирович Краевский
Татьяна Евгеньевна Игнатюк (RU)
Татьяна Евгеньевна Игнатюк
Ольга Николаевна Перовская (RU)
Ольга Николаевна Перовская
Игорь Владимирович Яминский (RU)
Игорь Владимирович Яминский
Сергей Георгиевич Игнатов (RU)
Сергей Георгиевич Игнатов
Original Assignee
Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова filed Critical Государственное учебно-научное учреждение Физический факультет Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова
Priority to RU2010116544/10A priority Critical patent/RU2437937C1/en
Publication of RU2010116544A publication Critical patent/RU2010116544A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2437937C1 publication Critical patent/RU2437937C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: method involves specific immobilisation of fragments of the specified bacteria from a solution on an affine surface consisting of a protein G layer coated with a layer of antibodies specific to the identified bacterial cells. Two-stage washing of a sample from a non-specifically bound material implies washing in a buffer pH 8.5-9.5 and washing in deionised water. The atomic-force microscopy is used as a visualisation tool of the bound bacterial fragments and enables direct count of a bound analyte amount per a surface unit.
EFFECT: offered invention allows identifying the minute cell concentration in the analysed solution.
1 dwg

Description

Заявленный способ определения наличия бактерий Escherichia coli no детектированию их фрагментов относится к области сенсорных технологий, направленных на обнаружение и визуализацию бактериальных клеток, а также их фрагментов. Под фрагментом бактериальной клетки понимается любая ее часть, содержащая антигенную детерминанту.The claimed method for determining the presence of Escherichia coli bacteria by detecting their fragments relates to the field of sensory technologies aimed at detecting and visualizing bacterial cells, as well as their fragments. A bacterial cell fragment is understood to mean any part thereof containing an antigenic determinant.

Существует ряд технических решений, близких по смыслу к предлагаемому способу: диагностическая тест-система для выявления заболевания (патент RU 2361215 С1), нанобиочип, используемый для регистрации белков и белковых комплексов, способ его получения и способ регистрации белков и белковых комплексов с использованием зондовой микроскопии (патент RU 2007117787A), способ регистрации специфических макромолекул в биологической пробе и устройство для его осуществления (патент RU 2006129865A), способ регистрации макромолекул при проведении протеомных исследованний и биочип, используемый при их регистрации (патент RU 2004119864).There are a number of technical solutions that are close in meaning to the proposed method: a diagnostic test system for detecting a disease (patent RU 2361215 C1), a nanobiochip used to register proteins and protein complexes, a method for its preparation, and a method for recording proteins and protein complexes using probe microscopy (patent RU 2007117787A), a method for registering specific macromolecules in a biological sample and a device for its implementation (patent RU 2006129865A), a method for registering macromolecules during proteomic studies nny and a biochip used in the registration (patent RU 2004119864).

Однако методы, разработанные во всех перечисленных патентах, имеют один существенный недостаток: они не описывают регистрацию или визуализацию бактериальных клеток и их фрагментов, в том числе Escherichia coli, а относятся лишь к макромолекулам (в основном к белкам и белковым комплексам) и к вирусам.However, the methods developed in all of the above patents have one significant drawback: they do not describe the registration or visualization of bacterial cells and their fragments, including Escherichia coli, but refer only to macromolecules (mainly proteins and protein complexes) and viruses.

Существуют способы регистрации специфически связавшихся с аффинной поверхностью бактерий, основанные на применении методов кварцевого микробаланса, эллипсометрии, поверхностного плазменного резонанса (Lazcka О., Del Campo F.J., Munoz F.X., Biosens. Bioelectron, 2007, 22, 1205-1217; Ivnitski D., Abdel-Hamid I., Atanasov P., Wilkins E., Biosens. Bioelectron, 1999, 14, 599-624). Недостатками данных методов являются (1) высокий уровень сигнала в контрольных экспериментах, т.е. при неспецифическом связывании, (2) отсутствие возможности визуализации связавшегося аналита, которая для бактериальных клеток (и их фрагментов) означает подтверждение физического события их связывания с аффинной поверхностью, (3) невозможность детектировать единичную бактериальную клетку или часть бактериальной клетки, (4) риск обсемененности помещения и возможности заражения персонала при детектировании патогенных бактерий.There are methods for detecting bacteria that specifically bind to the affinity surface, based on the use of quartz microbalance, ellipsometry, and surface plasma resonance methods (Lazcka O., Del Campo FJ, Munoz FX, Biosens. Bioelectron, 2007, 22, 1205-1217; Ivnitski D., Abdel-Hamid I., Atanasov P., Wilkins E., Biosens. Bioelectron, 1999, 14, 599-624). The disadvantages of these methods are (1) a high signal level in control experiments, i.e. in case of nonspecific binding, (2) the inability to visualize the bound analyte, which for bacterial cells (and their fragments) means confirmation of the physical event of their binding to the affinity surface, (3) inability to detect a single bacterial cell or part of a bacterial cell, (4) risk of contamination premises and the possibility of infection of personnel during the detection of pathogenic bacteria.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является определение наличия бактериальных клеток Escherichia coli и их фрагментов в растворах с малыми концентрациями с помощью атомно-силовой микроскопии. Предложенный метод позволяет определять наличие сверхмалых концентраций клеток в анализируемом растворе, в том числе детектировать связавшиеся с аффинной поверхностью фрагменты единственной бактерии. Метод одинаково чувствителен как к бактериальным клеткам целиком, так и к их фрагментам, поскольку антитела связываются с антигенной детерминантой. Время детектирования от момента экспонирования аналита к аффинной поверхности до получения результата составляет от 20 минут. Данный метод подходит для контроля качества питьевой воды и любых других жидкостей на содержание в них бактерий Escherichia coli. Поскольку данным методом можно детектировать фрагменты бактерий Escherichia coli, то это позволяет использовать для анализа раствор разрушенных бактериальных клеток, что позволяет снизить риск заражения обслуживающего персонала.The problem solved by the invention is the determination of the presence of bacterial cells of Escherichia coli and their fragments in solutions with low concentrations using atomic force microscopy. The proposed method makes it possible to determine the presence of ultra-low concentrations of cells in the analyzed solution, including the detection of fragments of a single bacterium bound to the affinity surface. The method is equally sensitive both to whole bacterial cells and to their fragments, since antibodies bind to an antigenic determinant. The detection time from the moment of exposure of the analyte to the affinity surface to obtain the result is from 20 minutes. This method is suitable for controlling the quality of drinking water and any other liquids for the content of Escherichia coli bacteria in them. Since Escherichia coli bacterial fragments can be detected using this method, this allows the use of a solution of destroyed bacterial cells for analysis, which reduces the risk of infection for maintenance personnel.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают следующей последовательностью действий: подготовка аффинной поверхности на основе специфических антител, экспонирование аналита к этой поверхности, двухэтапная промывка подложки, получение топографии поверхности образца с помощью атомно-силовой микроскопии. При этом экспонирование аналита к аффинной поверхности проводят в окружении буферного раствора со значением рН, и при температурах, являющихся оптимальными для специфического связывания антитела с антигеном. Существенным признаком является также двухэтапность промывки: сначала в буфере, позволяющем наиболее эффективно отмыть не специфически связавшийся материал, а затем водой, позволяющей отмыть подложку от солей.The technical result in the present invention is achieved by the following sequence of steps: preparing an affinity surface based on specific antibodies, exposing the analyte to this surface, two-stage washing of the substrate, obtaining a topography of the surface of the sample using atomic force microscopy. The exposure of the analyte to the affinity surface is carried out surrounded by a buffer solution with a pH value, and at temperatures that are optimal for specific binding of the antibody to the antigen. An essential feature is also a two-stage washing: first in a buffer that allows you to most effectively wash non-specifically bound material, and then with water, which allows you to wash the substrate from salts.

Рассмотрим осуществление предлагаемого изобретения на примере детектирования фрагментов бактерии Escherichia coli из суспензии с концентрацией по целым клеткам 107 КОЕ/мл. В качестве контрольного эксперимента берется аналитический раствор (аналит), содержащий фрагменты бактерии Bacillus subtilis той же концентрации.Consider the implementation of the invention by the example of detecting fragments of the bacterium Escherichia coli from a suspension with a concentration of 10 7 CFU / ml in whole cells. As a control experiment, an analytical solution (analyte) containing fragments of the bacterium Bacillus subtilis of the same concentration is taken.

Для подготовки аффинной поверхности используется распространенный метод нанесения на поверхность слюды слоя из белка G, на который в свою очередь наносятся специфические антитела к Escherichia coli. Для увеличения адгезивных свойств слюды перед нанесением на нее белка G ее обрабатывают в тлеющем разряде в течение 60 секунд при силе тока 0,4 мА (напряжение 1,5 кВ, расстояние между электродами 5 мм, площадь электродов 0,5 см2). После нанесения слоя антител на поверхность слоя белка G подложку промывают в деионизованной воде и просушивают. Экспозицию аналита к биофункциональной поверхности проводят ее помещением сверху на небольшую каплю (20 мкл) анализируемой суспензии в буфере рН 8,5-9,5 при 37°С в течение 10 минут, после чего промывают погружением подложки в буферный раствор и ее раскачиванием на шейкере, при этом подложку жестко закрепляют в раскачиваемой системе. После этого подложку промывают деионизованной водой от солей, высушивают в струе сжатого азота и исследуют с помощью атомно-силовой микроскопии. Анализируя АСМ-изображения, производят подсчет количества связавшихся бактериальных клеток или суммарного объема связавшихся клеточных фрагментов на единицу поверхности.To prepare the affinity surface, a common method is used for applying a layer of protein G to the surface of the mica, on which specific antibodies to Escherichia coli are in turn applied. To increase the adhesive properties of mica, before applying protein G to it, it is treated in a glow discharge for 60 seconds at a current strength of 0.4 mA (voltage 1.5 kV, distance between electrodes 5 mm, electrode area 0.5 cm 2 ). After applying the antibody layer to the surface of the protein G layer, the substrate is washed in deionized water and dried. The analyte is exposed to the biofunctional surface by placing it on top of a small drop (20 μl) of the analyzed suspension in a pH 8.5-9.5 buffer at 37 ° C for 10 minutes, after which it is washed by immersion of the substrate in a buffer solution and its swinging on a shaker , while the substrate is rigidly fixed in the swing system. After that, the substrate is washed with deionized water from salts, dried in a stream of compressed nitrogen and examined using atomic force microscopy. By analyzing the AFM image, the number of bacterial cells bound or the total volume of bound cell fragments per unit surface is counted.

На фиг.1 представлен трехмерный вид АСМ-изображений фрагментов клеток Escherichia coli, связавшихся с аффинной к ним поверхностью из суспензии концентрацией 107 КОЕ/мл (слева), а также такой же поверхности, к которой экспонировалась суспензия фрагментов клеток Bacillus subtilis той же концентрацией (справа). Размер области сканирования приведенных изображений составляет 10×10 мкм2. Анализ АСМ-изображений демонстрирует, что суммарный объем связавшихся фрагментов Escherichia coli высотой более 50 нм составляет на наблюдаемом поле 2,47×1014 нм3, тогда как эта величина для Bacillus subtilis равна нулю, т.е. в случае неспецифической пары «анитело-антиген» связывание объектов высотой более 50 нм не наблюдается вовсе.Figure 1 presents a three-dimensional AFM image of fragments of Escherichia coli cells that bind to their affinity surface from a suspension of 10 7 CFU / ml (left), as well as the same surface to which a suspension of fragments of Bacillus subtilis cell fragments of the same concentration was exposed (on right). The size of the scanning area of the images is 10 × 10 μm 2 . Analysis of AFM images demonstrates that the total volume of the bound Escherichia coli fragments with a height of more than 50 nm is 2.47 × 10 14 nm 3 in the observed field, while this value for Bacillus subtilis is zero, i.e. in the case of a non-specific antibody-antigen pair, the binding of objects with a height of more than 50 nm is not observed at all.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет проводить диагностику жидкостей, в том числе пищевых, на содержание микроорганизмов, причем в случае возможно предварительно осуществлять намеренное разрушение клеток для снижения риска обсемененности помещения и заражения обслуживающего персонала. При этом чувствительность детектирования не понизится.Thus, the present invention allows the diagnosis of liquids, including food liquids, for the content of microorganisms, and in the case it is possible to preliminarily carry out deliberate destruction of cells to reduce the risk of contamination of the premises and infection of maintenance personnel. In this case, the detection sensitivity will not decrease.

Claims (1)

Способ определения наличия бактерий Escherichia coli по детектированию их фрагментов в растворе, включающий в себя специфическую иммобилизацию фрагментов указанных бактерий из раствора на аффинную поверхность, состоящую из слоя белка G с нанесенным на него слоем антител, специфичных к выявляемым бактериальным клеткам, предусматривающий двухэтапную промывку образца от неспецифически связавшегося материала, включающую в себя промывку в буфере со значением рН 8,5-9,5 и последующую промывку деионизованной водой, использование атомно-силовой микроскопии как инструмента визуализации связавшихся бактериальных фрагментов и возможностью прямого подсчета объема связавшегося аналита на единицу поверхности. A method for determining the presence of Escherichia coli bacteria by detecting their fragments in a solution, which includes specific immobilization of fragments of these bacteria from a solution on an affinity surface, consisting of a layer of protein G with a layer of antibodies specific for detectable bacterial cells, comprising a two-stage washing of the sample from non-specifically bound material, including washing in a buffer with a pH value of 8.5-9.5 and subsequent washing with deionized water, the use of atomic force micro scopy as a tool for visualizing bound bacterial fragments and the ability to directly count the volume of bound analyte per unit surface.
RU2010116544/10A 2010-04-27 2010-04-27 METHOD FOR Escherichia coli BACTERIA IDENTIFICATION BY DETECTING THEIR FRAGMENTS BY ATOMIC-FORCE MICROSCOPY RU2437937C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010116544/10A RU2437937C1 (en) 2010-04-27 2010-04-27 METHOD FOR Escherichia coli BACTERIA IDENTIFICATION BY DETECTING THEIR FRAGMENTS BY ATOMIC-FORCE MICROSCOPY

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010116544/10A RU2437937C1 (en) 2010-04-27 2010-04-27 METHOD FOR Escherichia coli BACTERIA IDENTIFICATION BY DETECTING THEIR FRAGMENTS BY ATOMIC-FORCE MICROSCOPY

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010116544A RU2010116544A (en) 2011-11-10
RU2437937C1 true RU2437937C1 (en) 2011-12-27

Family

ID=44996622

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010116544/10A RU2437937C1 (en) 2010-04-27 2010-04-27 METHOD FOR Escherichia coli BACTERIA IDENTIFICATION BY DETECTING THEIR FRAGMENTS BY ATOMIC-FORCE MICROSCOPY

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2437937C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2649763C1 (en) * 2017-04-10 2018-04-04 Федеральное бюджетное учреждение науки "Екатеринбургский научно-исследовательский институт вирусных инфекций" Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека Method for rendering influenza virus

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LAZCKA О. ЕТ AL. Pathogen detection: a perspective of traditional methods and biosensors, Biosens Bioelectron, 2007, v.22, no.7, p.1205-17. ABDEL-HAMID I. ET AL. Flow-through immunofiltration assay system for rapid detection of E. coli 0157:H7, Biosens Bioelectron. 1999, v.14, no.3, p.309-16. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2649763C1 (en) * 2017-04-10 2018-04-04 Федеральное бюджетное учреждение науки "Екатеринбургский научно-исследовательский институт вирусных инфекций" Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека Method for rendering influenza virus

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010116544A (en) 2011-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. AC electrokinetics-enhanced capacitive immunosensor for point-of-care serodiagnosis of infectious diseases
Cui et al. An AC electrokinetic impedance immunosensor for rapid detection of tuberculosis
Nascimento et al. COVID-19 diagnosis by SARS-CoV-2 Spike protein detection in saliva using an ultrasensitive magneto-assay based on disposable electrochemical sensor
Pathirana et al. Rapid and sensitive biosensor for Salmonella
Huang et al. Sequential detection of Salmonella typhimurium and Bacillus anthracis spores using magnetoelastic biosensors
US9568444B2 (en) Method and apparatus for detection of a biomarker by alternating current electrokinetics
RU2530718C2 (en) Device and methods of detecting analytes in saliva
Meyer et al. Magnetic biosensor for the detection of Yersinia pestis
CN107144617B (en) A kind of preparation method of graphene oxide/alpha-fetoprotein aptamer electrochemical sensor
Guan et al. Rapid detection of pathogens using antibody-coated microbeads with bioluminescence in microfluidic chips
JP5200003B2 (en) Detection of target molecules in a sample using a magnetic field
Cheng et al. A PCR-free point-of-care capacitive immunoassay for influenza A virus
Hong et al. Clinical immunosensing of tuberculosis CFP-10 in patient urine by surface plasmon resonance spectroscopy
MX2007009819A (en) Method for detecting misfolded proteins and prions.
Zeng et al. An impedimetric biosensor for COVID-19 serology test and modification of sensor performance via dielectrophoresis force
CN101528942A (en) Methods and systems for detection of contaminants
Gupta et al. Epitope imprinting of iron binding protein of Neisseria meningitidis bacteria through multiple monomers imprinting approach
US20170328901A1 (en) Methods for detecting a marker for active tuberculosis
Qi et al. Phage M13KO7 detection with biosensor based on imaging ellipsometry and AFM microscopic confirmation
Kumar et al. Development of the Com1 synthetic peptide-based Latex Agglutination Test (LAT) and its comparative evaluation with commercial indirect-ELISA for sero-screening of coxiellosis in cattle
CN105579849B (en) Reagent, the method and apparatus of aggregation are prevented in the test based on particle for detecting poly target molecule
Cui et al. Reagent free detection of SARS-CoV-2 using an antibody-based microwave sensor in a microfluidic platform
KR101612095B1 (en) Biomaker detecting probe possible to early detection and precise quantification and use thereof
Kim et al. Detection of IFN-γ for latent tuberculosis diagnosis using an anodized aluminum oxide-based capacitive sensor
Wahab et al. MWCNTs functionalization and immobilization with anti-Brucella antibody; towards the development of a nanosensor

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20131017

TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -PC4A- IN JOURNAL: 5-2014