Mikromekanik afslører bakterier

Mikroskopiske siliciumbjælker kan benyttes til hurtigt og effektivt at detektere bakterier i fødevarer. Metoden kan benyttes til at flytte fødevarekontrollen tættere på fødevareproducenten, således at en eventuelt forurening opdages så tidligt som muligt.

Hvis påvisning af bakterier i fødevarer kan udføres billigt og hurtigt, vil det være muligt for den enkelte landmand, slagter eller sågar forbruger at undersøge fødevarernes kvalitet. Hvis testen udføres tæt på produktionsleddet, vil det være muligt hurtigt at opdage en eventuel forringet fødevarekvalitet, og dermed kan produktionsomkostningerne og risikoen for inficerede fødevarer mindskes betydeligt.

Som forbruger kunne man forestille sig, at man havde mulighed for selv derhjemme på køkkenbordet at undersøge råvarer såvel som færdiglavede retter for velkendte bakterier så som E. coli og Salmonella. Mulighederne er mange, hvis blot der eksisterer en simpel, hurtig og følsom metode til registrering af bakterier.

Bøjelige bjælker

På Mikroelektronik Centret arbejdes der med at udvikle et lillebitte mekanisk og elektrisk apparat – en såkaldt bioprobe – der hurtigt kan detektere tilstedeværelsen af selv små mængder af specifikke biomolekyler. Princippet er, at den væske, der skal undersøges, føres forbi to mikrobjælker fremstillet i silicium. På hver mikrobjælke sidder der en modstand, som har piezo-resistive egenskaber. Det vil sige, at modstanden ændrer sin værdi, når bjælken bøjer.
Den ene mikrobjælke – reference-bjælken – er helt ren og bruges til at eliminere støj, der kan komme fra bevægelser i væsken og fra temperaturændringer. Den anden bjælke dækkes med et detektorlag, der kan binde lige netop det molekyle, man er interesseret i at måle tilstedeværelsen af. Når molekyler fanges på bjælkens overflade, vil bjælken begynde at bøje, fordi de mekaniske spændinger på bjælkens overflade ændres. Hvis de bundne molekyler for eksempel har en tendens til at tiltrække hinanden, vil molekyllaget trække sig sammen og få bjælken til at bøje opad.

Småt er godt
Bjælkerne kan lige anes med det blotte øje. Bjælkerne er 200 μm lange, 40 μm brede og 1 μm tykke. Til sammenligning har et hår en diameter på ca. 80 μm. Den beskedne størrelse gør bjælkerne meget eftergivelige, samtidig med at de har en høj resonansfrekvens, hvilket gør dem mindre følsomme overfor støj.
De nuværende bjælker kan detektere udbøjninger på under en nanometer, hvilket er en milliontedel af en millimeter. Bjælkernes ringe størrelse gør det desuden muligt at fremstille et komplet apparat med væskehåndtering og elektrisk udlæsning på blot et par cm². Så måleenheden kan gøres kompakt og nem at håndtere, og den vil derfor være velegnet til ’point of care’–analyser.

Det er meget vanskeligt at fremstille mekaniske strukturer med μm-dimensioner og med integreret elektronik ved brug af finmekanik. I stedet benyttes såkaldte fotolitografiske metoder, hvor bjælkerne fremstilles ved at ætse 3-dimensionelt i en tynd siliciumplade. Fremstillingen er forholdsvis simpel, og den er yderst velegnet til masseproduktion. Derfor kan det også tænkes, at bioproben på sigt bliver så billig at fremstille, at den kun bruges én gang, hvorefter den kasseres.

Indfangning af bakterier
Hele bakterier eller dele af bakterier kan fanges direkte på mikrobjælken. Hvis man for eksempel beklæder bjælken med antistof mod E. coli, vil bjælken specifikt binde E. coli eller dele af et E. coli bakterie. Følgelig vil bjælken udelukkende give et elektrisk udslag, hvis der er E. coli bakterier i den undersøgte madprøve.
Bioproben benyttes nu til at detektere en enkelt type bakterier, men i fremtiden tænkes bioproben udvidet til at indeholde en hel række af bjælker belagt med forskellige antistoffer. Hermed vil det være muligt at undersøge samtidigt for en lang række forskellige bakterier.

DNA genkendelse
Bjælkerne kan også benyttes til at genkende DNA. Et DNA molekyle består af to strenge, som hver især består af en lang række kombinationer af fire forskellige kemiske baser. Baserne på de to forskellige strenge parrer med hinanden på en ganske bestemt måde, så strengene hænger sammen.
En enkelt streng af DNA fra E-coli kan placeres på den ene mikrobjælke. En fødevareprøve kan forholdsvis hurtigt bearbejdes, således at bakteriernes DNA udskilles og spaltes i enkeltstrenget DNA. Herefter sendes den bearbejdede fødevareprøve forbi bjælkerne, der vil reagere, hvis bjælkens enkeltstrengede DNA passer perfekt til enkeltstrenget DNA i væsken. Hvis dette sker, kan man med stor sikker-hed konkludere, at der er E. coli til stede i fødevaren.

Kun fantasien sætter grænsen
Der er mange andre anvendelsesmuligheder end de her skitserede. For eksempel kan detektionen af DNA også benyttes inden for diagnostik til detektion af bestemte genspecifikke sygdomme. Det vil sige sygdomme, som man ved, at man kan være arveligt disponeret for.

Figur 1 Væsken med DNA eller bakterier føres forbi de to mikrobjælker. På bjælkerne måles en modstandsændring, hvis molekyler bindes og dermed får bjælken til at bøje.	Figur 2 Scanning elektron mikroskop billede af to mikrobjælker ætset ud i silicium. Den ene bjælke benyttes til at registrere specifikke molekyler, mens den anden er en reference bjælke, der benyttes til at reducere baggrundsstøjen i systemet.

I dag har man blandt andet isoleret specifikke DNA sekvenser, som man ved er relateret til en øget risiko for udvikling af brystkræft. Man kan også forestille sig at bruge bioproben inden for miljøkontrol til blandt andet at måle forureningen af drikkevand og til kontrol af indeklima.

Figur 3
En mikrobjælke måling af DNA, der er specifikt for brystkræft. Bjælken bøjer nogle få nm, når den udsættes for DNA prøven (lilla område) og udbøjningen stabiliseres efter ca. 500 sekunder.

På figur 3 ses resultatet efter en måling af DNA. I målingen har man belagt den ene mikrobjælke med enkeltstrenget DNA. Den kan genkende DNA, der er specifikt for en bestemt type af brystkræft. Idet bjælken udsættes for det kræftspecifikke DNA (det lilla område på grafen) begynder den at bøje. Udbøjningen måles som en spændingsændring over 4 piezomodstande koblet sammen i en Wheatstone-målebro. Bjælken bøjer kun nogle få nm, men det kan sagtens måles ved hjælp af piezomodstanden. Signalet bliver stabilt efter ca. 500 sekunder, hvilket svarer til, at alle DNA strenge på mikrobjælken har bundet en komplementær DNA streng fra væsken.

Bioproberne har vist sig meget anvendelige som et grundforskningsinstrument inden for studier af mekaniske egenskaber af tynde lag af biomolekyler. Derudover har bioproben udviklet sig til et kommercielt produkt. I dag kan man købe bio-probe-måleudstyr i virksomheden Cantion A/S.