Oberflächenbeschichtung für elektrischen Sensor Bakterien an Sensor festkleben – für spezifischen Erregernachweis

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Hunderte verschiedene Bakterien in einer Probe. In diesem Durcheinander genau eine Art nachzuweisen, ist eine Herausforderung für sich. Nun haben Forscher einen neuen Sensor entwickelt, dessen Oberfläche für eine spezifische Bakterienart klebrig ist. Die festgeklebten Erreger sind dann über ein verändertes elektrisches Signal am Sensor direkt quantifizierbar.

Bakterielle Infektionen fordern jedes Jahr weltweit mehrere Millionen Menschenleben. Der Nachweis schädlicher Mikroorganismen ist daher immens wichtig – nicht nur in der Krankheitsdiagnostik, sondern auch bei der Herstellung von Lebensmitteln. Die bislang verfügbaren Verfahren sind jedoch oft zeitaufwändig, erfordern teure Geräte oder lassen sich nur von Fachleuten durchführen. Außerdem können sie häufig nicht zwischen aktiven Bakterien und deren Zerfallsprodukten unterscheiden.

Forschende der Goethe-Universität Frankfurt und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel haben nun einen neuen Bakterien-Sensor entwickelt, der ausschließlich intakte Bakterien nachweist. Die zugrundeliegende Methode nutzt dazu aus, dass Mikroorganismen nur bestimmte Körperzellen befallen, die sie an einer Struktur aus speziellen Zuckermolekülen erkennen. Diese so genannte Glykokalyx ist von Zelltyp zu Zelltyp verschieden. Sie dient den Körperzellen gewissermaßen als Ausweis. Möchte man ein bestimmtes Bakterium fangen, muss man daher die entsprechende Erkennungsstruktur in der Glykokalyx seiner bevorzugten Wirtszelle kennen und kann diese dann als Köder benutzen.

Biosensor für 32 parallele Analysen

Krebs und Krankheitserreger besser nachweisen

Klebrig, aber nur für eine Art Bakterien

Genau dieses Prinzip des Köders haben die Forschenden ausgenutzt. „Wir wollten in unserer Studie einen bestimmten Stamm des Darmbakteriums Escherichia coli – kurz: E. coli – nachweisen“, erklärt Prof. Andreas Terfort vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Goethe-Universität. „Wir wussten, welche Zellen der Erreger normalerweise infiziert. Das haben wir genutzt, um unseren Chip mit einer künstlichen Glykokalyx zu überziehen, die die Oberfläche dieser Wirtszellen imitiert. An dem Sensor bleiben daher nur Bakterien von dem gewünschten E.-coli-Stamm kleben.“

E. coli verfügt über zahlreiche kleine Ärmchen, die so genannten Pili. Mit ihnen erkennt das Bakterium die Glykokalyx seines Wirts und hält sich an ihr fest. „Die Bakterien binden mit ihren Pili gleich mehrfach an den Sensor; sie haften an ihm dadurch besonders stark“, erklärt Terfort. Die künstliche Glykokalyx ist zudem chemisch so aufgebaut, dass Mikroben, die nicht über die passenden Ärmchen verfügen, von ihr abgleiten – ähnlich wie Gebratenes von einer gut gefetteten Pfanne. Das stellt sicher, dass nur die krankmachenden E.-coli-Bakterien festgehalten werden.

Festgeklebte Bakterien sorgen für Spannungsänderung

Doch wie lässt sich nachweisen, dass an der künstlichen Glykokalyx Bakterien hängen? „Wir haben die Zuckermoleküle an einem leitfähigen Polymer befestigt“, sagt der Erstautor der Veröffentlichung, Sebastian Balser. „Über diese ‚Drähte‘ können wir durch Anlegen einer elektrischen Spannung ablesen, wie viele Bakterien an den Sensor gebunden haben.“

Die Studie dokumentiert, wie gut das klappt: In ihr mischten die Forschenden Erreger aus dem gesuchten E.-coli-Stamm in verschiedenen Konzentrationen unter harmlose E.-coli-Bakterien. „Unser Sensor konnte die schädlichen Mikroorganismen auch noch in sehr geringen Mengen nachweisen“, sagt Studienleiter Terfort. „Er lieferte zudem umso stärkere Signale, je höher die Konzentration der gesuchten Bakterien war.“

Die Veröffentlichung ist zunächst ein Nachweis, dass die Methode funktioniert. In einem nächsten Schritt wollen die beteiligten Arbeitsgruppen untersuchen, ob sie sich auch in der Praxis bewährt. Es ist beispielsweise denkbar, sie in Regionen einzusetzen, in denen keine Krankenhäuser mit aufwändiger Labordiagnostik existieren.

Originalpublikation: Sebastian Balser, Michael Röhrl, Carina Spormann, Thisbe K. Lindhorst, Andreas Terfort: Selective Quantification of Bacteria in Mixtures by Using Glycosylated Polypyrrole/Hydrogel Nanolayers. ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 11, 14243–14251; DOI: 10.1021/acsami.3c14387

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