Bakterielle Geräusche durch Graphenmembran enthüllt

Haben Sie sich jemals gefragt, ob Bakterien charakteristische Töne von sich geben?

21.04.2022 - Niederlande

Wenn wir Bakterien zuhören könnten, wüssten wir, ob sie lebendig sind oder nicht. Wenn Bakterien mit einem Antibiotikum abgetötet werden, würden diese Geräusche aufhören - es sei denn, die Bakterien sind gegen das Antibiotikum resistent. Genau das ist einem Forscherteam der TU Delft unter der Leitung von Dr. Farbod Alijani jetzt gelungen: Sie haben mit Hilfe von Graphen die leisen Geräusche eines einzelnen Bakteriums eingefangen. Ihre Forschungsergebnisse wurden jetzt in Nature Nanotechnologyveröffentlicht.

Der Klang eines einzelnen Bakteriums

Das Team um Farbod Alijani untersuchte ursprünglich die Grundlagen der Mechanik von Graphen, fragte sich aber irgendwann, was passieren würde, wenn dieses extrem empfindliche Material mit einem einzelnen biologischen Objekt in Kontakt kommt. "Graphen ist eine Form von Kohlenstoff, die aus einer einzigen Schicht von Atomen besteht und auch als Wundermaterial bekannt ist", sagt Alijani. "Es ist sehr stark, hat gute elektrische und mechanische Eigenschaften und reagiert zudem extrem empfindlich auf äußere Kräfte."

Das Forscherteam initiierte eine Zusammenarbeit mit der Nanobiologie-Gruppe von Cees Dekker und der Nanomechanik-Gruppe von Peter Steeneken. Zusammen mit dem Doktoranden Irek Roslon und dem Postdoc Dr. Aleksandre Japaridze führte das Team erste Experimente mit E. coli-Bakterien durch. Cees Dekker: "Was wir sahen, war verblüffend! Wenn ein einzelnes Bakterium an der Oberfläche einer Graphen-Trommel haftet, erzeugt es zufällige Schwingungen mit Amplituden von nur wenigen Nanometern, die wir nachweisen konnten. Wir konnten den Klang eines einzelnen Bakteriums hören!"

Stanzen einer Graphen-Trommel mit einem Bakterium

Die extrem kleinen Schwingungen sind das Ergebnis der biologischen Prozesse der Bakterien, zu denen vor allem ihre Geißeln (Schwänze an der Zelloberfläche, die die Bakterien vorantreiben) beitragen. "Um zu verstehen, wie winzig diese Geißelschläge auf Graphen sind, muss man sagen, dass sie mindestens 10 Milliarden Mal kleiner sind als der Schlag eines Boxers, wenn er einen Sandsack trifft. Dennoch können diese nanoskaligen Schläge in Tonspuren umgewandelt und angehört werden - wie cool ist das denn", sagt Alijani.

Graphen zum schnellen Nachweis von Antibiotikaresistenzen

Diese Forschung hat enorme Auswirkungen auf den Nachweis von Antibiotikaresistenzen. Die experimentellen Ergebnisse waren eindeutig: Wenn die Bakterien gegen das Antibiotikum resistent waren, setzten sich die Schwingungen einfach auf demselben Niveau fort. Wenn die Bakterien für das Medikament empfänglich waren, nahmen die Schwingungen bis zu ein oder zwei Stunden später ab, dann waren sie ganz verschwunden. Dank der hohen Empfindlichkeit der Graphen-Trommeln lässt sich das Phänomen mit nur einer einzigen Zelle nachweisen.

Farbod Alijani: "In Zukunft wollen wir unsere einzellige Graphen-Antibiotika-Empfindlichkeitsplattform optimieren und sie gegen eine Vielzahl von pathogenen Proben validieren. So kann sie schließlich als effektives diagnostisches Instrumentarium zur schnellen Erkennung von Antibiotikaresistenzen in der klinischen Praxis eingesetzt werden." Peter Steeneken fasst zusammen: "Dies wäre ein unschätzbares Instrument im Kampf gegen die Antibiotikaresistenz, die eine immer größere Bedrohung für die menschliche Gesundheit auf der ganzen Welt darstellt."

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