Bakterien, die Infektionen verursachen, schneller erkennen

Ein fluoreszierendes Molekül zum Screening grampositiver Bakterien

09.05.2019 - Korea, Rep.

Vor zwei Jahren starb eine Gruppe von Säuglingen an der Universitätsklinik und es wurden gramnegative Bakterien gefunden, die ihren Tod verursachten. Die gramnegativen Bakterien werden rosa und die grampositiven Bakterien violett, wenn sie mit dem Gram-Färbemittel gefärbt werden, das eine seit 1884 angewandte Methode der Bakterienfärbung ist. In der Regel sind Bakterien, die Tetanus, Lungenentzündung und Lebensmittelvergiftung verursachen, Arten von grampositiven Bakterien. Die Gram-Färbung ist eine Standardfärbemethode, die seit langem zur Unterscheidung von Bakterien eingesetzt wird, aber es gab viele Schwierigkeiten mit dieser Methode, die mehrere Arbeitsschritte und erfahrene technische Fähigkeiten erforderten.

Prof. Young-Tae Chang, Dr. Nam Young Kang, Dr. Hwa-Young Kwon und Xiao Liu von der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) Department of Chemistry entwickelten eine Fluoreszenzsonde, BacGo, die grampositive Bakterien präzise und schnell nachweisen kann. Für das Demonstrationsexperiment verwendete das Forschungsteam Bakterienschlamm aus dem Abwasser. Sie überwachten erfolgreich den Bakterienanteil bei der Abwasserbehandlung und bestätigten die mögliche Anwendung auf die klinische Diagnose von Keratitis.

Die Gram-Färbung wurde erstmals 1884 von dem dänischen Wissenschaftler Christian Gram entwickelt und bis heute als goldener Standard zur Klassifizierung von Bakterien verwendet. Es gibt jedoch mehrere Hindernisse. So kann das Verfahren beispielsweise mit einem Satz von Farbstoffen wie Kristallviolett und Safranin nur auf feste Proben (ein chemischer Prozess, der Bakterien abtötet) angewendet werden, nicht auf lebende Bakterien. Es beinhaltet auch mehrere Prozessschritte, die durch die sequentielle Verwendung von Kristallviolett- und Safraninfarbstoffen durchlaufen werden müssen. Um diese Probleme zu überwinden, wurden mehrere Fluoreszenzsonden mit einer besseren Empfindlichkeit als die Gram-Färbung entwickelt, die jedoch eine begrenzte Selektivität gegen grampositive Bakterien und einen langsamen Nachweis von Bakterien aufweisen. In diesem Zusammenhang sind die bisher entwickelten Sonden nicht für die universelle bakterielle Diskriminierung, wie z.B. in Klärschlamm aus Abwasser und anderen Arbeiten, die eine schnelle Erkennung erfordern, geeignet.

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf Polysaccharide im Peptidoglykan von grampositiven Bakterien und untersuchte fluoreszierende Moleküle mit einer Borsäure, die sich an Polysaccharide binden können, um grampositive Bakterien nachzuweisen. Schließlich entwickelten sie erfolgreich eine Fluoreszenzsonde, die nur grampositive Bakterien selektieren und färben kann.

Diese Fluoreszenzsonde kann verschiedene grampositive Bakterien gezielt auswählen. Basierend auf dieser Leistung demonstrierte das Forschungsteam die Anwendung auf Schlamm aus Abwasser und den mit Keratitis infizierten Mäusen. Als Ergebnis bestätigten sie, dass BacGo den Bakterienanteil im Schlamm bei der Abwasserbehandlung überwachen kann. Auch das Experiment mit den mit Keratitis infizierten Mäusen zeigte, dass die neue Sonde die Infektion von Bakterien sehr genau diagnostizieren kann. Dies veranschaulicht die Möglichkeit seiner Anwendung auf die klinische Diagnose.

Professor Young-Tae Chang, der das Forschungsteam leitete, zeigte seine Vorfreude in seinem Kommentar: "BacGo unterscheidet sich von dem häufig verwendeten Gramfärbemittel. Mit dieser neuen Sonde können wir verschiedene lebende grampositive Bakterien durch minimale Färbeprozesse überwachen. Sie kann nicht nur die ehemalige Fluoreszenzsonde zum Screening grampositiver Bakterien mit vielen Einschränkungen ersetzen, sondern auch in vielen verschiedenen Anwendungen wie der Abwasserüberwachung und der klinischen Diagnose von bakteriellen Infektionen eingesetzt werden."

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