Competitive Displacement Fluorescence Biosensor Based on Aptamer-Peptide Conjugates for Simultaneous Detection of Pb 2+ and Cd 2+ in Rice

تُعد المعادن الثقيلة مثل الرصاص والكادميوم غزاة صامتة ومستمرة في إمداداتنا الغذائية. فخلافاً للبكتيريا التي يمكن القضاء عليها أو المواد العضوية التي تتحلل، فإن هذه العناصر لا تتفكك. وبمجرد دخولها إلى التربة أو الماء، تتراكم في المحاصيل، لتجد طريقها في النهاية إلى مائدة الطعام. ويُعد الرصاص والكادميوم خطيرين بشكل خاص لأنهما غالباً ما يظهران معاً في الحقول نفسها، وحتى الكميات الضئيلة منهما يمكن أن تسبب مشاضلاً صحية خطيرة، تتراوح من تلف الأعصاب إلى فشل الأعضاء. ولهذا السبب، تضع الحكومات حدوداً صارمة لكيفية وجود هذه المعادن في الأطعمة الأساسية مثل الأرز. ومع ذلك، فإن العثور على هذه الملوثات غير المرئية أمر صعب؛ إذ تتطلب أكثر الطرق دقة لقياسها آلات ضخمة ومكلفة يجب تشغيلها في مختبرات متخصصة، مما يجعلها بطيئة جداً لإجراء فحوصات سريعة في الميدان. وقد بحث العلماء عن طريقة أسرع وأبسط يمكنها رصد هذه المعادن دون الحاجة إلى معدات معقدة، آملين في حماية سلامة الغذاء بأداة تكون حساسة وسهلة الاستخدام في آن واحد.

لقد طور فريق من الباحثين في جامعة شنغهاي للعلوم والتكنولوجيا طريقة جديدة لرصد هذه المعادن في وقت واحد باستخدام خدعة ذكية من البيولوجيا الجزيئية والمغناطيسية. يعتمد نهجهم على نوع معين من المفاتيح الجزيئية يسمى "الأبتامر" (aptamer)، وهو عبطارة قصيرة من الحمض النووي (DNA) مصممة للإمساك بأيون معدني محدد. ولجعل هذه المفاتيح أقوى، قام العلماء بربط سلاسل بروتينية صغيرة، تُعرف باسم "الببتيدات"، بها، مما خلق ما يسمونه "متقارنات الأبتامر والببتيد". وقد تم ربط هذه المفاتيح المعززة بوسم مضيء، بحيث تنبعث منها إضاءة ساطعة عند تحررها، وهي إضاءة يمكن قياسها. وبنى الباحثون منصة حيث يتم تثبيت هذه المفاتيح المضيئة بواسطة حامل مغناطيسي، وهو في الأساس كرة صغيرة مصنوعة من الحديد والذهب. وتكون هذه الحامل مزينة بهيكل حمض نووي ثلاثي الأبعاد وصلب يعمل كـ "سقالة"، حيث يحمل المفاتيح بطريقة منظمة لتكون جاهزة للعمل.

تعمل هذه العملية مثل لعبة "الكراسي الموسيقية"، ولكن بلمسة مغناطيسية. في البداية، تكون المفاتيح المضيئة مقفلة على الكرات المغناطيسية. وعند تقديم عينة من الأرز أو الماء تحتوي على الرصاص أو الكادميوم، تندفع أيونات المعادن وتتمسك بالمفاتح بقوة أكبر مما يمكن للكرات المغناطيسية الحفاظ عليه. وهذا يجبر المفاتيح على ترك مكانها والطفو بعيداً في السائل. ولأن المفاتيح أصبحت الآن حرة في السائل، فإنها تتوهج بسطوع. ثم يستخدم الباحثون مغناطيساً لسحب الكرات الثقيلة إلى قاع الوعاء، تاركين السائل المضيء في الأعلى. ومن خلال قياس سطوع هذا السائل، يمكنهم تحديد كمية الرصاص أو الكادميوم الموجودة في العينة الأصلية بدقة. هذه الطريقة سريعة، حيث تستغرق ثلاثين دقيقة فقط لاكتمالها، وهي تتجنب الحاجة إلى خطوات تعزيز الإشارة المعقدة التي تتطلبها الطرق الأخرى غالباً.

تظهر نتائج هذه الدراسة أن المستشعر الجديد حساس للغاية؛ إذ يمكنه اكتشاف الرصاص والكادميوم بمستويات منخفضة تصل إلى 0.103 نانومولار و0.081 نانومولار، على التوالي. ولوضع ذلك في السياق، يمكن للمستشعر العثور على هذه المعادن في نطاق يتراوح بين 0.3 إلى 10 نانومولار، وهو ما يغطي حدود السلامة الصارمة المحددة للأرز في العديد من البلدان. وقد اختبر الباحثون جهازهم على عينات أرز حقيقية عولجت بكميات معروفة من الرصاص والكادميوم، وطابقت قراءات المستشعر نتائج الآلات المختبرية القياسية، حيث استعاد ما بين 93 و113 بالمائة من المعادن المضافة. ويثبت هذا المستوى من الدقة أن الطريقة تعمل حتى في البيئة المعقدة وغير المنتظمة للأغذبة الحقيقية، حيث قد تتداخل المواد الأخرى عادةً مع القراءة.

كان قرار تقوية المفاتيح الجزيئية جزءاً حاسماً من هذا النجاح. فعندما قارن الباحثون مفاتهم المعززة بسلاسل الحمض النووي الأصلية غير المعدلة، وجدوا أن النسخ المعززة كانت متفوقة بمراحل؛ إذ كانت المفاتيح الأصلية ضعيفة وتتطلب تركيزات أعلى بكثير من المعدن لتحفيز الإشارة، بينما استجابت المفاتيح المعززة بسرعة ووضوح حتى عند المستويات المنخفضة جداً. وقد أكد ذلك أن تحسين قوة عنصر التعرف كان استراتيجية أفضل من إضافة طبقات معقدة من التضخيم. كما لعبت خطوة الفصل المغناطيسي دوراً حيوياً، حيث أزالت بفعالية الجزيئات الداكنة والعكرة الناتجة عن هضم الأرز، مما سمح بقياس الضوء المنبعث من المفاتيح المضيئة دون تداخل.

يبرهن هذا العمل على أنه من الممكن اكتشاف معادن خطيرة متعددة في نفس الوقت باستخدام اختبار واحد بسيط. فمن خلال الجمع بين التعرف الجزيئي القوي وخطوة التنظيف المغناطيسي، ابتكر الباحثون أداة تتسم بالسرعة والموثوقية. لا يتطلب المستشعر آلات باهظة الثمن أو أوقات تحضير طويلة، مما يجعله خياراً عملياً لمراقبة سلامة الغذاء في المستقبل. وتشير الدراسة إلى إمكانية تكييف هذا النهج لرصد أنواع أخرى من الملوثات، مما يوفر مساراً واعداً نحو إمدادات غذائية أكثر أماناً دون الحاجة إلى المعدات الثقيلة المطلوبة حالياً لمثل هذا التحليل.