Bakterilerin Gram-pozitif (kalın peptidoglikan hücre duvarına sahip bakteriler) ve Gram-negatif (dış lipopolisakkarit zar taşıyan bakteriler) olarak sınıflandırılması, mikrobiyolojik analizlerin temel adımlarından birini oluşturmaktadır. Ancak klinik örneklerde kullanılan geleneksel Gram boyama yöntemi çok aşamalı kimyasal işlemler gerektirmekte, sonuçların yorumlanması operatör deneyimine bağlı kalabilmekte ve canlı bakterilerin izlenmesine olanak tanımamaktadır. Bu nedenle hızlı, güvenilir ve reaktif kullanımı gerektirmeyen alternatif yaklaşımlara yönelik araştırmalar giderek önem kazanmaktadır.
Kao ve çalışma arkadaşları, triboelektrik nanosensör (TENS; temas ve ayrılma sırasında oluşan elektrik yüklerini algılayan sensör) tabanlı robotik bir platform geliştirerek Gram-pozitif ve Gram-negatif bakterilerin boyasız, hızlı ve tahribatsız şekilde ayrımını gerçekleştirmeyi amaçlamıştır. Çalışmanın temel çıkış noktası, iki bakteri grubunun hücre duvarı mimarisindeki farklılıkların yüzey elektriksel özelliklerine de yansıdığı ve bu farklılıkların temas elektrifikasyonu yoluyla ölçülebileceği varsayımına dayanmaktadır.
Araştırmacılar sensör sistemini bir robotik kavrayıcı üzerine entegre ederek otomatik ölçüm gerçekleştirmiştir. Sistemde farklı triboelektrik özelliklere sahip PDMS (polidimetilsiloksan) ve PLLA (poli-L-laktik asit) yüzeyleri kullanılmıştır. Bakteri kolonileri ile sensör yüzeyi arasındaki temas-ayrılma döngüleri sırasında oluşan elektrik sinyalleri kaydedilmiş ve yüzey özellikleri Kelvin Prob Kuvvet Mikroskobu (KPFM; yüzey potansiyelini nanoskopik ölçekte haritalayan yöntem), X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS; yüzey kimyasal bileşimini inceleyen yöntem) ve Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR; moleküler fonksiyonel grupları belirleyen yöntem) ile karakterize edilmiştir. Elde edilen sinyaller daha sonra makine öğrenmesi algoritmalarıyla analiz edilmiştir.
Çalışmanın sonuçları Gram-negatif ve Gram-pozitif bakterilerin belirgin biçimde farklı triboelektrik imzalar oluşturduğunu ortaya koymuştur. Ultraviyole fotoelektron spektroskopisi (UPS) ölçümlerinde Gram-pozitif temsilci olarak kullanılan Staphylococcus aureus için yüzey iş fonksiyonu 4,77 eV, Gram-negatif temsilci Escherichia coli için ise 4,49 eV olarak belirlenmiştir. KPFM analizleri E. coli’nin 476 mV, S. aureus’un ise 268 mV yüzey potansiyeline sahip olduğunu göstermiştir. PDMS tabanlı sensörde S. aureus yaklaşık 94 mV, E. coli ise 125 mV pozitif voltaj pikleri üretirken, PLLA tabanlı sensörde ters polaritede sırasıyla S.aureus için −92 mV ve E. coli için −70 mV sinyaller elde edilmiştir. Sistem yalnızca 620 milisaniye içerisinde yanıt verebilmiş ve ek olarak Staphylococcus epidermidis ile Pseudomonas aeruginosa türlerinde de doğrulanmıştır. Tek malzemeli sensörlerde sınıflandırma doğruluğu %74,96 ile %82,71 arasında değişirken, iki farklı sensörden elde edilen verilerin birlikte değerlendirilmesi sonucunda makine öğrenmesi destekli sınıflandırma doğruluğu %90,93 seviyesine ulaşmıştır.
Araştırmacılar, elde edilen bulguların bakteri hücre duvarı bileşiminden kaynaklanan yüzey elektriksel farklılıklarının triboelektrik yöntemlerle güvenilir biçimde ayırt edilebildiğini gösterdiğini belirtmektedir. Klinik uygulama için güçlü bir potansiyel sunduğunu göstermektedir ve 620 milisaniye düzeyindeki yanıt süresi, bu yaklaşımın otomatik mikrobiyolojik analiz sistemleri için dikkate değer bir platform sunduğuna işaret etmektedir. Çalışma ayrıca temas elektrifikasyonunun bakteriyel sınıflandırmada kullanılabilecek yeni bir fiziksel algılama mekanizması oluşturduğunu ortaya koymaktadır.
Yazar: Özsu Deniz BALKAYA
Editör: Sudenur DİNÇ
Referans: Kao, F.-C., Hsu, W.-Z., Khan, A., Hung, S.-C., Das, T., Joshi, R., Parashar, P., Hsieh, M.-K., Pal, A., Lin, Z.-H. Triboelectric nanosensor-based robotic platform for rapid label-free discrimination of Gram-positive and Gram-negative bacteria. Nano Energy (2026). DOI: 10.1016/j.nanoen.2026.111879
-Bioinforange Bilimsel Haber Servisi-
Haber Yazıları, 20> Etki Faktörlü Q1 dergilerinde yayınlanan (listesi için tıklayınız)
bilimsel araştırmaların ekip arkadaşlarımız tarafından incelenip derlenmesi ile hazırlanmaktadır.
