Forscher der Goethe-Universität Frankfurt und der Universität Kiel haben einen neuartigen Sensor zur Detektion von Bakterien entwickelt. Der Sensor basiert auf einem Chip mit einer innovativen Oberflächenbeschichtung, die sicherstellt, dass nur sehr spezifische Mikroorganismen am Sensor haften bleiben – wie zum Beispiel bestimmte Krankheitserreger. Je größer die Anzahl der Organismen ist, desto stärker ist das vom Chip erzeugte elektrische Signal. Auf diese Weise ist der Sensor nicht nur in der Lage, gefährliche Bakterien mit hoher Empfindlichkeit zu erkennen, sondern auch deren Konzentration zu bestimmen.
Jedes Jahr fordern bakterielle Infektionen weltweit mehrere Millionen Menschenleben. Daher ist die Erkennung schädlicher Mikroorganismen entscheidend – nicht nur bei der Diagnose von Krankheiten, sondern auch beispielsweise in der Lebensmittelproduktion. Die bisher verfügbaren Methoden sind jedoch oft zeitaufwändig, erfordern teure Ausrüstung oder können nur von Fachleuten verwendet werden. Darüber hinaus können sie oft nicht zwischen aktiven Bakterien und ihren Abbauprodukten unterscheiden.
Im Gegensatz dazu erkennt die neu entwickelte Methode nur intakte Bakterien. Sie nutzt die Tatsache, dass Mikroorganismen immer nur bestimmte Körperzellen angreifen, die sie anhand der spezifischen Zuckermolekülstruktur erkennen. Diese Matrix, bekannt als Glykokalyx, unterscheidet sich je nach Zelltyp. Sie dient gewissermaßen als Erkennungsmerkmal für die Körperzellen. Dies bedeutet, dass zur Erfassung eines bestimmten Bakteriums nur die erkennbare Struktur in der Glykokalyx seiner bevorzugten Wirtszelle bekannt sein muss und dann als “Köder” verwendet wird.
Das ist genau das, was die Forscher getan haben. “In unserer Studie wollten wir einen bestimmten Stamm des Darmbakteriums Escherichia coli – oder kurz E. coli – erkennen”, erklärt Professor Andreas Terfort vom Institut für anorganische und analytische Chemie der Goethe-Universität Frankfurt. “Wir wussten, welche Zellen der Erreger normalerweise infiziert. Wir haben dies verwendet, um unseren Chip mit einer künstlichen Glykokalyx zu beschichten, die die Oberfläche dieser Wirtszellen imitiert. Auf diese Weise haften nur Bakterien des gezielten E. coli-Stamms am Sensor.”
Die Studie dokumentiert die Effektivität dieser Methode: Die Forscher mischten Krankheitserreger aus dem gezielten E. coli-Stamm unter ungefährliche E. coli-Bakterien in verschiedenen Konzentrationen. “Unser Sensor war in der Lage, die schädlichen Mikroorganismen auch in sehr geringen Mengen zu erkennen”, erklärt Terfort. “Darüber hinaus, je höher die Konzentration der gezielten Bakterien, desto stärker waren die abgegebenen Signale.”
Die Veröffentlichung ist ein erster Beweis dafür, dass die Methode funktioniert. Als nächstes möchten die beteiligten Arbeitsgruppen untersuchen, ob sie auch in der Praxis besteht. Ihr Einsatz in Regionen, in denen es keine Krankenhäuser mit anspruchsvollen Labordiagnostik gibt, ist zum Beispiel denkbar.
Veröffentlichung: Sebastian Balser, Michael Röhrl, Carina Spormann, Thisbe K. Lindhorst, Andreas Terfort: Selektive Quantifizierung von Bakterien in Gemischen unter Verwendung von Glykosylierten Polypyrrol/Hydrogel-Nanolagern. Artikel ASAP; https://doi.org/10.1021/acsami.3c14387
