Trần Thị Mỹ Duyên * Trần Thị Tuyết Hoa

* Tác giả liên hệ (ttmduyen@ctu.edu.vn)

Abstract

The study was carried out to improve the sensitivity of paper-based biosensors for detecting antibiotics inhibiting bacterial protein synthesis. The biosensor was based on the detection of luminescence intensity of nanoluciferase protein (NanoLuc), which was synthesized on freeze-dried paper containing an in vitro transcription-translation system. NanoLuc was synthesized by applying water samples without antibiotics on freeze-dried paper, resulting in luminescent emission when combined with the Furimazine substrate. In contrast, in the presence of antibiotics, the luminescent intensity was lower due to the inhibition of NanoLuc synthesis. The luminescent intensity was recorded with a digital camera and quantified by ImageJ software. The estimated detection limits were 13,9; 0,23; 1,2 and 0,32 µg/mL for gentamicin, chloramphenicol, erythromycin, and paromomycin, respectively. The sensitivity of luminescent paper-based biosensors was increased 2 or 3 folds depending on each antibiotic.

Keywords: Biosensor, chloramphenicol, erythromycin, gentamicin, nanoluciferase, paromomycin

Tóm tắt

Nghiên cứu được thực hiện nhằm cải thiện độ nhạy của cảm biến sinh học nhận diện nhóm kháng sinh ức chế sự tổng hợp protein trên nền giấy. Cảm biến sinh học nhận diện kháng sinh dựa trên cường độ phát quang của protein nanoluciferase (NanoLuc) được tổng hợp trên nền giấy đông khô có chứa hệ thống phiên mã dịch mã trong điều kiện phòng thí nghiệm. Khi nhỏ nước lên nền giấy, protein NanoLuc được tổng hợp và phát sáng khi kết hợp với cơ chất Furimazine. Ngược lại, khi có kháng sinh ức chế sự tổng hợp protein của vi khuẩn, sự tổng hợp protein NanoLuc bị cản trở dẫn đến cường độ phát sáng yếu. Cường độ phát sáng được ghi nhận bằng máy chụp ảnh kỹ thuật số và định lượng bằng phần mềm xử lý ảnh ImageJ. Giới hạn phát hiện kháng sinh được ghi nhận cho gentamicin, chloramphenicol, erythromycin và paromomycin lần lượt là 13,9; 0,23; 1,2 và 0,32 µg/mL. Độ nhạy của cảm biến sinh học được cải thiện 2 hoặc 3 lần tùy từng loại kháng sinh.

Từ khóa: Cảm biến sinh học, chloramphenicol, erythromycin, gentamicin, nanoluciferase, paromomycin

Article Details

Tài liệu tham khảo

Andrews, J. M. (2001). Determination of minimum inhibitory concentrations. The Journal of Antimicrobial Chemotherapy, 48 Suppl 1, 5–16. https://doi.org/10.1093/jac/48.suppl_1.5

England, C. G., Ehlerding, E. B., & Cai, W. (2016). NanoLuc: A small luciferase is brightening up the field of bioluminescence. Bioconjugate Chemistry, 27(5), 95–121. https://doi.org/10.1007/128

Griss, R., Schena, A., Reymond, L., Patiny, L., Werner, D., Tinberg, C. E., Baker, D., & Johnsson, K. (2014). Bioluminescent sensor proteins for point-of-care therapeutic drug monitoring. Nature Chemical Biology, 10(7), 598–603. https://doi.org/10.1038/nchembio.1554

Hall, M. P., Unch, J., Binkowski, B. F., Valley, M. P., Butler, B. L., Wood, M. G., Otto, P., Zimmerman, K., Vidugiris, G., MacHleidt, T., Robers, M. B., Benink, H. A., Eggers, C. T., Slater, M. R., Meisenheimer, P. L., Klaubert, D. H., Fan, F., Encell, L. P., & Wood, K. V. (2012). Engineered luciferase reporter from a deep sea shrimp utilizing a novel imidazopyrazinone substrate. ACS Chemical Biology, 7(11), 1848–1857. https://doi.org/10.1021/cb3002478

Kapoor, G., Saigal, S., & Elongavan, A. (2017). Action and resistance mechanisms of antibiotics: A guide for clinicians. Journal of Anaesthesiology Clinical Pharmacology, 33(3), 300–305. https://doi.org/10.4103/joacp.JOACP

Kikuchi, T., Koga, M., Shimizu, S., Miura, T., Maruyama, H., & Kimura, M. (2013). Efficacy and safety of paromomycin for treating amebiasis in Japan. Parasitology International, 62(6), 497–501. https://doi.org/10.1016/j.parint.2013.07.004

Kobets, T., Grekov, I., & Lipoldova, M. (2012). Leishmaniasis: Prevention, parasite detection and treatment. Current Medicinal Chemistry, 19(10), 1443–1474.

Liu, X., Steele, J. C., & Meng, X. Z. (2017). Usage, residue, and human health risk of antibiotics in Chinese aquaculture: A review. Environmental Pollution, 223, 161–169. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2017.01.003

Lowell, A. N., Santoro, N., Swaney, S. M., McQuade, T. J., Schultz, P. J., Larsen, M. J., & Sherman, D. H. (2015). Microscale adaptation of in vitro transcription/translation for high-throughput screening of natural product extract libraries. Chemical Biology and Drug Design, 86(6), 1331–1338. https://doi.org/10.1111/cbdd.12614

McCoy, L. S., Xie, Y., & Tor, Y. (2011). Antibiotics that target protein synthesis. Wiley Interdisciplinary Reviews. RNA, 2(2), 209–232. https://doi.org/10.1002/wrna.60

Mungroo, N., & Neethirajan, S. (2014). Biosensors for the Detection of Antibiotics in Poultry Industry—A Review. Biosensors, 4(4), 472–493. https://doi.org/10.3390/bios4040472

Nguyen, Q. T., Maita, M., & Phú, T. M. (2020). Khảo sát tình hình sử dụng thuốc và hóa chất trong nuôi tôm thẻ chân trắng (Litopenaeus vannamei) ở tỉnh Trà Vinh. Can Tho University Journal of Science, 56, 70. https://doi.org/10.22144/ctu.jsi.2020.040

Nguyen, Q. T., Tran, M. P., Huynh, S. N., Sebastien, Q., Do, T. T. H., Nguyen, T. P., Partrick, K., & Marie, L. S. (2014). Situation of chemicals used in rice-fish, stripped catfish cultured in pond and red tilapia cultured in cage in Mekong Delta. Can Tho University Journal of Science, 2, 278–283.

Nishikawa, K., & Ueda, T. (2001). Cell-free translation reconstituted with purified components. Nature, 19(August), 751–755.

Phu, T. M., Phuong, N. T., Scippo, M.-L., Dalsgaard, A., Thinh, N., & Huong, D. (2015). Quality of antimicrobial products used in striped catfish (Pangasianodon hypophthalmus) Aquaculture in Vietnam. PLOS ONE, 10(4), e0124267. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0124267

Reder-Christ, K., & Bendas, G. (2011). Biosensor applications in the field of antibiotic research-a review of recent developments. Sensors, 11(10), 9450–9466. https://doi.org/10.3390/s111009450

Schar, D., Zhao, C., Wang, Y., Larsson, D. G. J., Gilbert, M., & Van Boeckel, T. P. (2021). Twenty-year trends in antimicrobial resistance from aquaculture and fisheries in Asia. Nature Communications, 12(1), 6–15. https://doi.org/10.1038/s41467-021-25655-8

Tran, T. M. D., Matsuura, H., Ujiie, K., Muraoka, M., Harada, K., & Hirata, K. (2017). Paper-based colorimetric biosensor for antibiotics inhibiting bacterial protein synthesis. Journal of Bioscience and Bioengineering, 123(1), 96–100. https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2016.07.015

Tran, T. M. D., & Tran, T. T. H. (2020). Generating Nanoluciferase reporter protein for development of biosensor detecting antibiotics. Can Tho University Journal of Science, 56(2), 146. https://doi.org/10.22144/ctu.jvn.2020.041

Uchida, K., Konishi, Y., Harada, K., Okihashi, M., Yamaguchi, T., Do, M. H. N., Thi Bui, L., Duc Nguyen, T., Do Nguyen, P., Thi Khong, D., Thi Tran, H., Nam Nguyen, T., Viet Le, H., Van Chau, V., Thi Van Dao, K., Thi Ngoc Nguyen, H., Kajimura, K., Kumeda, Y., Tran Pham, K., … Yamamoto, Y. (2016). Monitoring of antibiotic residues in aquatic products in urban and rural areas of Vietnam. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 64(31), 6133–6138. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.6b00091

Zhou, C., Zou, H., Sun, C., & Li, Y. (2021). Recent advances in biosensors for antibiotic detection: Selectivity and signal amplification with nanomaterials. Food Chemistry, 361(November 2020), 130109. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.130109