Schweigt die Bakterie, wirkt das Antibiotikum

Die Forscher um Dr. Farbod Alijani gelang es, dafür die charakteristischen Töne eines einzelnen Bakteriums mit Hilfe von Graphen einzufangen. Ursprünglich waren die Grundlagen der Mechanik von Graphen das Forschungsthema. Das führte die Wissenschaftler zu der Frage, was passieren würde, wenn dieses extrem empfindliche Material mit einem einzelnen biologischen Objekt in Kontakt käme." 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 Team um Alijani tat sich mit der Nanobiologie-Gruppe von Cees Dekker und der Nanomechanik-Gruppe von Peter Steeneken zusammen. Gemeinsam mit dem Doktoranden Irek Roslon und dem Postdoc Dr. Aleksandre Japaridze wurden erste Experimente mit E. coli-Bakterien durchgeführt. Die Ergebnisse überraschten die Wissenschaftler, so 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!"

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", so Alijani.

Schneller 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.

Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Die Wissenschaftler um Alijani wollen nun ihre einzellige "Graphen-Antibiotika-Empfindlichkeitsplattform" optimieren und sie gegen eine Vielzahl von pathogenen Proben validieren. Ziel ist es, sie als effektives diagnostisches Instrumentarium zur schnellen Erkennung von Antibiotikaresistenzen in der klinischen Praxis einzusetzen. 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."