Antimicrobial peptide biosensing of Legionella pneumophila with digital photocorrosion biosensor - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Antimicrobial peptide biosensing of Legionella pneumophila with digital photocorrosion biosensor

Biodétection de Legionella pneumophila par biocapteur à photocorrosion digitale à base de peptide antimicrobien

Résumé

Culture based detection of pathogenic bacteria is time consuming, and needs specific culture medium to identify bacterial strains such as Legionella pneumophila (L. pneumophila) which does not flourish in typical growth medium. Culture based methods cannot detect viable but unculturable bacteria. Therefore, the detection of L. pneumophila with biosensors potentially could be an attractive approach enabling accurate and rapid detection. The sensitivity and specificity of biosensors depend critically on the biorecognition probes employed for the detection. Until now, different elements such as antibodies, enzymes, functional nucleic acids (aptamers) and bacteriophages have been utilized as biorecognition elements. Due to high specificity of antibodies, and the advanced technology of their production, mammalian antibodies have been widely investigated for the development of various biosensors. However, mammalian antibodies are known to suffer from batch-to-batch variation, as well as limited stability, which could reduce the consistent utility of the proposed biosensors. In recent years, antimicrobial peptides (AMPs) have been increasingly investigated for their therapeutic applications. At the same time, AMPs are considered as promising biorecognition ligands due to their high stability and multiple niches for capturing bacteria. The hypothesis was that AMP-based bioarchitectures allows for highly efficient capturing of bacteria, and the short length of the AMP would significantly enhance detection due to limited obstructive charge transfer in the charge sensing biosensor. In the first phase of the project, we investigated a warnericin RK AMP functionalized gallium arsenide/aluminum gallium arsenide (GaAs/AlGaAs) photonic biosensor for direct detection of L. pneumophila in water environments. This approach allowed for detecting a low to high concentration of L. pneumophila (103 to 106 CFU/mL) with a 103 CFU/mL limit of detection (LOD). In addition, a relatively large number of interfaces constituting the architecture of such biosensors could affect their reproducibility and sensitivity. A thinner biorecognition layer (~2 nm) resulted in a shorter distance between bacteria and the biosensor surface, which played important role in promoting charge transfer between bacteria and biochip. L. pneumophila was detected at concentrations as low of 2 x 102 CFU/mL. This configuration allowed the detection sensitivity of L. pneumophila as low as 50 CFU/mL and 100 CFU/mL in clean water and water originated from cooling tower, respectively, along with the selective detection of whole cell L. pneumophila serogroup 1 (SG1) and serogroup 5 (SG5). The proposed AMP and Ab conjugated sandwich architecture with digital photocorrosion (DIP) biosensors is a promising approach for developing low cost, highly sensitive and specific biosensors for rapid detection of L. pneumophila in water environments.
La détection de bactéries pathogènes par culture microbienne est lente, nécessite un milieu de culture spécifique pour garantir la croissance de certaines souches bactériennes fastidieuses telle que Legionella pneumophila (L. pneumophila) et en plus pourrait ne pas déceler les bactéries viables mais non cultivables mais restant dangereuse en termes de pathogénicité. Par conséquent, l’usage de biocapteurs pour la détection de L. pneumophila serait, potentiellement, une approche attrayante permettant une détection précise et rapide. Cependant, la sensibilité et la spécificité des biocapteurs dépendent fortement des molécules de bioreconnaissance utilisées. Jusqu'à présent, différents ligands tels que les anticorps, les enzymes, les acides nucléiques fonctionnels (aptamères) et les bactériophages ont été utilisés comme éléments de bioreconnaissance. En raison de leur haute spécificité, Les anticorps de mammifères ont été largement employés pour le développement de divers biocapteurs. Cependant, les anticorps sont connus pour souffrir de la variabilité des lots produits et d'une stabilité limitée, ce qui réduit l'usage et la constance des performances des biocapteurs à base d'anticorps. Au cours des dernières années, les peptides antimicrobiens (PAM) ont été de plus en plus investigués pour des applications thérapeutiques en plus d’être considérés comme des ligands de bioreconnaissance prometteurs en raison de leur grande stabilité et leurs fortes réactivités aux bactéries. Dans le but d’améliorer les performances du biocapteur à DIP, notre hypothèse reposait sur l’usage de bioarchitectures à base de PAM à courte séquence pour une capture efficace des bactéries et une détection considérablement améliorée en raison du transfert de charge plus facilitée vers dans la biopuce à base de semiconducteur III-V. Dans la première phase du projet, nous avons évalué un biocapteur à DIP consistant en une puce d’arséniure de gallium/arséniure de gallium aluminium (GaAs/AlGaAs) fonctionnalisée par le warnericine RK pour la détection directe in situ de L. pneumophila dans l’eau. Nous avons démontré une détection linéaire de L. pneumophila pour des concentrations allant de 103 à 106 CFU/mL. De plus, le nombre relativement important d'interfaces constituant la bioarchitecture d’un tel biocapteur pourrait affecter sa reproductibilité et sa sensibilité. Dans ce cas, la couche de bioreconnaissance est plus mince (~ 2 nm) permettant une distance plus courte entre les bactéries et la surface du biocapteur, ce qui pourrait jouer un rôle important dans la promotion du transfert de charge entre les bactéries et la biopuce, et ainsi nous avons pu démontrer une détection efficace de L. pneumophila à une concentration de 2 x 102 CFU/mL. Cette configuration a permis d’atteindre des LODs de 50 et 100 UFC/mL, respectivement pour de légionnelle dans du PBS et collectées d’échantillons d’eau de tour de refroidissement. Nous avons observé une détection sélective de L. pneumophila sérogroupe 1 (SG1) comparé au sérogroupe 5 (SG 5). Les biocapteurs à photocorrosion digitale (DIP) en configuration sandwich PAM et Ab pourraient être une approche prometteuse pour développer un biocapteur à faible coût, hautement sensible et spécifique pour la détection rapide de L. pneumophila dans l’eau.
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Citer

M. Amirul Islam. Antimicrobial peptide biosensing of Legionella pneumophila with digital photocorrosion biosensor. Engineering Sciences [physics]. Université de Sherbrooke (Québec, Canada), 2022. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04556964⟩
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