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Nanotechnologie

Bakterielle Trommelschläge erfasst

Eine Bakterie „trommelt“ durch ihre Bewegungen auf einer Graphen-Membran und kann dabei mit Wirkstoffen behandelt werden.© Irek Roslon - TU Delft

Auch Bakterien machen Geräusche: Sie können offenbar eine Art Perkussionsmusik hervorbringen, geht aus einer Studie hervor. Forscher haben dafür winzige Trommeln mit Graphen-Membranen entwickelt, die Vibrationen einzelner Bakterien erfassen und damit hörbar machen können. Das Konzept könnte ihnen zufolge der Erprobung von antimikrobiellen Wirkstoffen zugutekommen. Denn anhand des Trommelns lässt sich präzise ablesen, wie sich eine Substanz auf die Mikroben auswirkt: So ist etwa der tödliche Effekt eines Antibiotikums am Verstummen der Schläge von Kopf und Geißeln erkennbar, zeigen die Versuche.

Wenn wir auch noch so leise schleichen – unsere Bewegungen erzeugen Vibrationen und damit Geräusche. Sogar sehr feine Regungen von Lebewesen lassen sich mit modernen Instrumenten noch erfassen. So haben Forscher beispielsweise schon das Knistern, Knuspern und Knacken erfasst, das Würmchen und Co im Boden verursachen. Es gibt allerdings noch deutlich kleinere Organismen, die sich bewegen und damit zumindest theoretisch für Vibrationen und somit Geräusche sorgen. Die winzigen Regungen von Mikroben lassen sich allerdings wohl nicht mehr erfassen, könnte man meinen. Doch genau dies ist nun den Forschern um Farbod Alijani von der Technischen Universität Delft gelungen.

Die Wissenschaftler untersuchten ursprünglich die Grundlagen der Mechanik von Graphen. „Es handelt sich dabei um eine Form von Kohlenstoff, die aus einer einzigen Schicht von Atomen besteht und auch als ein Wundermaterial bekannt ist. Denn es ist sehr stark, hat gute elektrische und mechanische Eigenschaften und reagiert zudem extrem empfindlich auf äußere Kräfte“, erklärt Alijani. Im Rahmen ihrer Untersuchungen fragten sich Alijani und seine Kollegen irgendwann, was passieren würde, wenn dieses extrem empfindliche Material mit einem einzelnen biologischen Objekt in Kontakt kommt – und zwar mit einem sehr winzigen. So entwickelten die Forscher schließlich ihre Graphen-Bakterien-Trommeln.

Perkussionsmusik der besonderen Art

Die Membranen der „Instrumente“ bestehen aus ultradünnen Graphen-Doppelschichten. Sie bedecken kreisförmige, in Siliziumdioxid geätzte Hohlräume mit einem Durchmesser von acht Mikrometern und einer Tiefe von 285 Nanometern. Viele dieser Trommeln werden dabei nebeneinander auf einem Siliziumchip angeordnet, um für umfangreiche Testergebnisse sorgen zu können. Um die Bewegungen von einzelnen Bakterien zu erfassen, wurde jeweils eines auf einer der Graphenmembranen angeheftet. Das ganze System befindet sich dabei in einer Nährlösung. Als Versuchs-Mikrobe diente den Forschern das bekannte Darmbakterium Escherichia coli.

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Wie die Wissenschaftler berichten, konnten sie tatsächlich eine Auslenkung der Graphenmembranen durch die bakteriellen Bewegungen erfassen. Detektiert wurden diese Vibrationen dabei mittels Laserinterferometrie. Eine einzelne Escherichia-coli-Zelle erzeugt demnach Schwingungen mit Amplituden von bis zu 60 Nanometern und übt dabei Kräfte von bis zu sechs Nanonewton auf die Umgebung aus. Diese Effekte ließen sich auch als Töne darstellen – und somit konnten die Forscher die Mikroben hörbar machen. „Was wir sahen, war verblüffend! Wenn ein einzelnes Bakterium an der Oberfläche einer Graphen-Trommel haftet, erzeugt es Schwingungen, die wir nachweisen konnten. Wir konnten dadurch auch den Klang eines einzelnen Bakteriums hören!“, sagt Co-Autor Cees Dekker von der TU Delft.

Wie die Wissenschaftler erklären, sind die winzigen Schwingungen das Ergebnis der biologischen Prozesse der Bakterien, zu denen vor allem die Bewegungen ihrer Geißeln beitragen. Dies verdeutlichten Experimente mit E.-coli-Stämmen, die gentechnisch so verändert wurden, dass sie je nach Anzahl oder Aktivität ihrer Geißeln ein unterschiedliches Maß an Bewegungsaktivität aufweisen. „Um zu verstehen, wie winzig diese Geißelschläge auf Graphen sind, muss man sich vorstellen, dass sie mindestens zehn Milliarden Mal schwächer sind als der Schlag eines Boxers, wenn er einen Sandsack trifft. Dennoch können diese nanoskaligen Schläge in Tonspuren umgewandelt und angehört werden“, sagt Alijani.

Potenzial für die Antibiotika-Forschung

Weitere Versuche der Forscher verdeutlichten dann das Potenzial des Verfahrens für die Forschung. Dabei verabreichten sie „Trommlern“ aus unterschiedlichen Bakterienstämmen Antibiotika-Substanzen. Es zeigte sich: Wenn das jeweilige Bakterium gegen das Antibiotikum resistent war, setzten sich die Schwingungen einfach auf demselben Niveau fort wie zuvor. Wenn es für das Medikament hingegen empfänglich war, nahmen die Schwingungen innerhalb von ein oder zwei Stunden ab – bis das Trommeln durch den Tod der Mikrobe schließlich ganz verstummte. Dank der hohen Empfindlichkeit der Graphen-Trommeln lässt sich Antibiotika-Wirkung somit auf der Ebene einer einzigen Zelle genau nachvollziehen, heben die Forscher hervor.

„In Zukunft wollen wir unsere einzellige Graphen-Antibiotika-Empfindlichkeitsplattform weiter optimieren und sie mit unterschiedlichen Erregern testen. So könnte das System schließlich als effektives diagnostisches Instrumentarium zur schnellen Erkennung von Antibiotikaresistenzen in der klinischen Praxis eingesetzt werden“, hofft Alijani. Sein Kollege Peter Steeneken sagt dazu abschließend: „Dies wäre ein wichtiges Instrument im Kampf gegen die Antibiotikaresistenz, die eine immer größere Bedrohung für die menschliche Gesundheit auf der ganzen Welt darstellt.“

Video © Irek Roslon – TU Delft

Quelle: Delft University of Technology, Fachartikel: Nature Nanotechnology, doi: 10.1038/s41565-022-01111-6

 

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