Fabrication of a Highly Sensitive Nanoaptasensor for Rapid and Direct Detection of Escherichia Coli (Nasec) in Drinking Water

Authors

DOI:

https://doi.org/10.29356/jmcs.v69i2.2146

Keywords:

E. coli, aptamer, aptasensor, drinking water

Abstract

Abstract. In this work, a novel nanoaptasensor (NASEc) for rapid and direct detection of Escherichia coli (E. coli) in drinking water was designed and constructed. The sensor is based on electrical conductivity measurements between a set of bare gold electrodes and a set of modified gold electrodes. The modified electrode set was covered with an aptamer layer (AE10) to improve affinity for E. coli and better binding to the electrode surface. Using the modified nanostructured layer with multiwall carbon nanotubes (MWCNT), the high sensitivity of the sensor was achieved and allowed to detect the presence of E. coli in quantities of a single colony forming units (CFU) per 100 mL. This sensitivity meets the relevant international drinking water quality standards. Each step in the process of the NASEc fabrication was verified and proved by different analytical techniques at a nanometric and molecular level: UV-vis and Raman Spectroscopy, AFM, and SEM. This portable, simple, and reusable nanoaptasensor with high selectivity and affinity offers faster detection (3 min) in the presence of E. coli compared to conventional colony forming units (CFU) counting-based methods (24 to 48 h). NASEc is designed for direct measurements without any pretreatment of samples and is helpful in potable water within a conductivity range of 50 to 1300 µS/cm.

 

Resumen. En este trabajo, se diseñó y construyó un nuevo nanoaptasensor (NASEc) para la detección rápida y directa de Escherichia coli (E. coli) en agua potable. El sensor se basa en mediciones de conductividad eléctrica entre un conjunto de electrodos de oro sin modificar y un conjunto de electrodos de oro modificado. El conjunto de electrodos modificado se cubrió con una capa de aptámero (AE10) para mejorar la afinidad por E. coli y una mejor unión a la superficie del electrodo. Utilizando la capa nanoestructurada modificada con nanotubos de carbono de paredes múltiples (MNTC) se logró la alta sensibilidad del sensor y permitió detectar la presencia de E. coli en cantidades de una sola unidad formadora de colonias (UFC) por 100 ml. Esta sensibilidad cumple con los estándares internacionales pertinentes de calidad del agua potable. Cada paso en el proceso de fabricación de NASEc fue verificado y probado mediante diferentes técnicas analíticas a nivel nanométrico y molecular: espectroscopia UV-vis y Raman, AFM y SEM. Este nanoaptasensor portátil, simple y reutilizable con alta selectividad y afinidad ofrece una detección más rápida (3 min) en presencia de E. coli en comparación con los métodos convencionales basados ​​en el recuento de unidades formadoras de colonias (UFC) (24 a 48 h). NASEc está diseñado para mediciones directas sin ningún tratamiento previo de muestras y es útil en agua potable dentro de un rango de conductividad de 50 a 1300 µS/cm.

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Author Biographies

Elia Velázquez, UAM-I

Posgrado en Biotecnología (Ref. 001466), DCBS

Laboratorio de Tratamiento de Aguas y Microbiología Ambiental, Departamento de Biotecnología, DCBS, UAM-I

Laboratorio de Nanotecnología e Ingeniería Molecular, Departamento de Química, DCBI UAM-I

Oscar Monroy Hermosillo, UAM-I

Laboratorio de Tratamiento de Aguas y Microbiología Ambiental, Departamento de Biotecnología, DCBS

Florina Ramírez Vives, UAM-I

Laboratorio de Tratamiento de Aguas y Microbiología Ambiental, Departamento de Biotecnología, DCBS

Michel Picquart, UAM-I

Departamento de Física, DCBI

Israel Morales-Reyes, UAM-I

Laboratorio de Nanotecnología e Ingeniería Molecular, Departamento de Química, DCBI

Paulina Hernández Garcés, UAM-I

Laboratorio de Nanotecnología e Ingeniería Molecular, Departamento de Química, DCBI

Antonio Abad Sánchez, UAM-A

Departamento de Diseño Gráfico, CyAD

Eugenio Gómez Reyes Gómez Reyes, UAM-A

Ingeniería Hidrológica, Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica, DCBI

Nikola Batina, UAM-I

Laboratorio de Nanotecnología e Ingeniería Molecular, Departamento de Química, DCBI

References

Zhao, Y. W.; Wang, H. X.; Jia, G. C.; Li, Z. Sensors. 2018, 18, 1–16. DOI: https://doi.org/10.3390/s18010318.

Rompré, A.; Servais, P.; Baudart, J.; De-Roubin, M. R.; Laurent, P. J. Microbiol. Methods. 2002, 49, 31–54. DOI: https://doi.org/10.1016/S0167-7012(01)00351-7.

Khan, F. M.; Gupta, R.; Sekhri, S. Environ. Sci. Pollut. Res. 2021, 28, 60778-60786. DOI: https://doi.org/10.1007/s11356-021-14983-3.

Wu, W.; Li, M.; Wang, Y.; Ouyang, H.; Wang, L.; Li, C.; Cao, Y.; Meng, Q.; Lu, J. Nanoscale Res. Lett. 2012, 7, 658. DOI: https://doi.org/10.1186/1556-276x-7-658.

Eaton, A. D.; Clesceri, L. S.; Rice, E. W.; Greenberg, A. E.; Franson, M. A. H., in: Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21st ed., American Public Health Association, Washington, DC, 2005.

Walker, D. I.; McQuillan, J.; Taiwo, M.; Parks, R.; Stenton, C. A.; Morgan, H.; Mowlem, M. C.; Lees, D. N. Water Res. 2017, 126, 101–110. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.08.032.

Kuo, J. T.; Cheng, C. Y.; Huang, H. H.; Tsao, C. F.; Chung, Y. C. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2010, 37, 237–244. DOI: https://doi.org/10.1007/s10295-009-0666-0.

Serra, B.; Morales, M. D.; Zhang, J.; Reviejo, A. J.; Hall, E. H.; Pingarron, J. M. Anal. Chem. 2005, 77, 8115–8121. DOI: https://doi.org/10.1021/ac051327r.

Ionescu, R. E. Escherichia coli: Recent Adv. Physiol., Pathog. Biotechnol. Appl. 2017. DOI: https://doi.org/10.5772/67392.

Hesari, N.; Alum, A.; Elzein, M.; Abbaszadegan, M. Enzyme Microb. Technol. 2016, 83, 22–28. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2015.11.007.

Jiang, Y. S.; Riedel, T. E.; Popoola, J. A.; Morrow, B. R.; Cai, S.; Ellington, A. D.; Bhadra, S. Water Res. 2018, 131, 186–195. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.12.023.

Mallya, A. N.; Sowmya, P.; Ramamurthy, P. C., in: Organic Nanocomposite Sensor for Detection of Escherichia coli, 2014 IEEE 2nd International Conference on Emerging Electronics (ICEE), Bengaluru, India, 2014.

Khang, J.; Kim, D.; Chung, K. W.; Lee, J. H. Talanta. 2016, 147, 177–183.

Van Poucke, S. O.; Nelis, H. Appl. Environ. Microbiol. 1995, 61, 4505–4509. DOI: https://doi.org/10.1128/aem.61.12.4505-4509.1995.

Loaiza, Ó. A.; Campuzano, S.; Pedrero, M.; García, P.; Pingarrón, J. M. Analyst. 2009, 134, 34–37. DOI: https://doi.org/10.1039/b815307h.

Wutor, V. C.; Togo, C. A.; Limson, J. L.; Pletschke, B. I. Enzyme Microb. Technol. 2007, 40, 1512–1517.

Su, L.; Zhang, P.; Zheng, D.; Wang, Y.; Zhong, R. Optoelectron. Lett. 2015, 11, 157–160.

Gunda, N. S. K.; Dasgupta, S.; Mitra, S. K. PLOS ONE. 2017, DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0183234.

Zuo, P.; Li, X.; Dominguez, D. C.; Ye, B. C. Lab Chip. 2013, 13, 3921–3928. DOI: https://doi.org/10.1039/c3lc50654a.

Mitra, S. Anal. Methods. 2014, 6, 6236–6246.

Frahm, E.; Obst, U. J. Microbiol. Methods. 2003, 52, 123–131. DOI: https://doi.org/10.1016/s0167-7012(02)00150-1.

McCracken, K. E.; Angus, S. V.; Reynolds, K. A.; Yoon, J. Y. Sci. Rep. 2016, 6, 1–13.

Berg, J. D.; Fiksdal, L. Appl. Environ. Microbiol. 1988, 54, 2118–2122. DOI: https://doi.org/10.1128/aem.54.8.2118-2122.1988.

Sun, H.; Choy, T. S.; Zhu, D. R.; Yam, W. C.; Fung, Y. S. Biosens. Bioelectron. 2009, 24, 1405–1410. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2008.08.008.

Kim, Y. S.; Song, M. Y.; Jurng, J.; Kim, B. C. Anal. Biochem. 2013, 436, 22–28. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ab.2013.01.014.

Evtugyn, G.; Porfireva, A.; Ryabova, M.; Hianik, T. Electroanalysis. 2008, 20, 2310–2316. DOI: https://doi.org/10.1002/elan.200804345.

Téllez-Plancarte, A.; Haro-Poniatowski, E.; Piquart, M.; Morales-Méndez, J. G.; Lara-Cruz, C.; Jiménez-Salazar, J. E.; Damian-Matsumura, P.; Escobar-Alarcón, L.; Batina, N. Nanomaterials. 2018, 8, 549. DOI: https://doi.org/10.3390/nano8070549.

Gómez-Reyes, A. R. E.; Monroy, O. A.; Batina, N.; Jiménez, D.; Abad, A. R.; Constantino, R.; Montero, D. P.; Tapia, F. O.; Ramírez, F.; Velázquez, E.; Morales, I.; Hernández, P.; Solís, A.; Hernández, J. de J. Mex. Pat., 2021.

Zhang, S.; Wang, X.; Li, T.; Liu, L.; Wu, H. C.; Luo, M.; Li, J. Langmuir. 2015, 31, 10094–10099. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5b01272.

Ozkan-Ariksoysal, D.; Kayran, Y. U.; Yilmaz, F. F.; Ciucu, A. A.; David, I. G.; David, V.; Hosgor-Limoncu, M.; Ozsoz, M. Talanta. 2017, 166, 27–35. DOI: https://doi.org/10.1016/j.talanta.2017.01.005.

Yang, M.; Peng, Z.; Ning, Y.; Chen, Y.; Zhou, Q.; Deng, L. Sensors. 2013, 13, 6865–6881. DOI: https://doi.org/10.3390/s130506865.

Ocaña, C.; Pacios, M.; del Valle, M. Sensors. 2012, 12, 3037–3048. DOI: https://doi.org/10.3390/s120303037.

Murphy, H.; Papakonstantinou, P.; Okpalugo, T. I. T. J. Vac. Sci. Technol., B: Microelectron. Nanometer Struct. --Process., Meas., Phenom. 2006, 24, 715–720.

Le, V. T.; Ngo, C. L.; Le, Q. T.; Ngo, T. T.; Nguyen, D. N.; Vu, M. T. Adv. Nat. Sci. Nanosci. Nanotechnol. 2013, 4, 4–9.

Maquelin, K.; Kirschner, C.; Choo-Smith, L.-P.; Ngo-Thi, N. A.; van Vreeswijk, T.; Stämmler, M.; Endtz, H. P.; Bruining, H. A.; Naumann, D.; Puppels, G. J. J. Clin. Microbiol. 2003, 41, 324–329. DOI: https://doi.org/10.1128/jcm.41.1.324-329.2003.

Wu, Q.; Hamilton, T.; Nelson, W. H.; Elliott, S.; Sperry, J. F.; Wu, M. Anal. Chem. 2001, 73, 3432–3440. DOI: https://doi.org/10.1021/ac001268b.

Sengupta, A.; Mujacic, M.; Davis, E. J. Anal. Bioanal. Chem. 2006, 386, 1379–1386. DOI: https://doi.org/10.1007/s00216-006-0711-z.

Zainudin, N.; Mohd Hairul, A. R.; Yusoff, M. M.; Tan, L. L.; Chong, K. F. Anal. Methods. 2014, 6, 7935–7941. DOI: https://doi.org/10.1039/C4AY01836B.

Athamneh, A. I. M.; Alajlouni, R. A.; Wallace, R. S.; Seleem, M. N.; Sengera, R. S. Antimicrob. Agents Chemother. 2014, 58, 1302–1314. DOI: https://doi.org/10.1128/aac.02098-13.

Guler, Z.; Sarac, A. S. eXPRESS Polym. Lett. 2016, 10, 96–110.

Lian, Y.; He, F.; Wang, H.; Tong, F. Biosens. Bioelectron. 2015, 65, 314–319.

Upadhyayula, V. K. K.; Deng, S.; Mitchell, M. C.; Smith, G. B. Sci. Total Environ. 2009, 408, 1–13. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2009.09.027.

Radke, S. M.; Alocilja, E. C. Biosens. Bioelectron. 2005, 20, 1662–1667. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2004.07.021.

García-Aljaro, C.; Cella, L. N.; Shirale, D. J.; Park, M.; Muñoz, F. J.; Yates, M. V.; Mulchandani, A. Biosens. Bioelectron. 2010, 26, 1437–1441. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bios.2010.07.077.

Demattê, J. A. M.; Ramirez-Lopez, L.; Marques, K. P. P.; Rodella, A. A. Geoderma. 2017, 288, 8–22.

Hayat, A.; Marty, J. L. Front. Chem. 2014. DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2014.00041.

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2025-04-01

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