Bacteriën afluisteren met drumvel van grafeen

Nieuws - 19 april 2022 - Webredactie 3mE

Heb je je ooit afgevraagd of bacteriën geluid maken? Als we bacteriën konden horen, zouden we kunnen weten of ze leven of niet. Wanneer de bacteriën met behulp van antibiotica worden gedood, zouden de geluiden stoppen - tenzij de bacteriën resistent zijn tegen antibiotica. Dit is precies wat een team onderzoekers van de TU Delft, onder leiding van dr. Farbod Alijani, nu voor elkaar heeft gekregen: ze hebben het minimale geluid van een enkele bacterie opgevangen met behulp van grafeen. Hun onderzoek is nu gepubliceerd in Nature Nanotechnology.

Het geluid van een enkele bacterie

Het team van Farbod Alijani was aanvankelijk bezig met het onderzoeken van de fundamenten van de mechanica van grafeen, maar op een gegeven moment vroegen ze zich af wat er zou gebeuren als dit extreem gevoelige materiaal in contact komt met een enkel biologisch object.
"Grafeen is een vorm van koolstof die bestaat uit een enkele laag atomen en wordt ook wel het wondermateriaal genoemd," zegt Alijani. "Het is heel sterk, met goede elektrische en mechanische eigenschappen, en het is ook extreem gevoelig voor externe krachten."

De onderzoeksgroep startte een samenwerking met de nanobiologie-groep van Cees Dekker en de nanomechanica-groep van Peter Steeneken. Samen met promovendus Irek Roslon en postdoc Aleksandre Japaridze voerde het team de eerste experimenten uit met E. coli bacteriën. Cees Dekker: "Wat we zagen was verbluffend. Als een enkele bacterie zich hecht aan het drumvel van grafeen, ontstaan er willekeurige trillingen met amplitudes van een paar nanometer, die we konden detecteren. We konden het geluid van een enkele bacterie horen!"

 

Met een bacterie op een grafeen-trommel slaan

De extreem kleine trillingen zijn het resultaat van de biologische processen in de bacteriën, waarbij de flagellen (staarten aan het celoppervlak waarmee bacteriën voortbewegen) het grootste aandeel hebben. "Om te begrijpen hoe klein deze flagellaire slagen op grafeen zijn, kun je zeggen dat ze minstens 10 miljard keer kleiner zijn dan de stoot van een bokser op een bokszak. Toch kunnen deze beats op nanoschaal worden omgezet in geluidssporen en beluisterd - en hoe cool is dat," aldus Alijani.

Grafeen voor snelle detectie van antibioticaresistentie

Het onderzoek heeft enorme implicaties voor de detectie van resistente bacteriën. De experimentele resultaten waren eenduidig: Als de bacteriën resistent waren tegen het antibioticum, hielden de trillingen op hetzelfde niveau aan. Wanneer de bacteriën wel gevoelig waren voor het geneesmiddel, namen de trillingen gedurende één of twee uur af, en daarna waren ze volledig verdwenen. Dankzij de hoge gevoeligheid van grafeen-trommels kan het fenomeen worden gedetecteerd met slechts één enkele bacterie.

Farbod Alijani: "In de toekomst willen we dit platform om antibioticagevoeligheid te testen optimaliseren en valideren met uiteenlopende klinische monsters. Zodat het uiteindelijk kan worden gebruikt als een diagnostische toolkit voor snelle detectie van antibioticaresistentie in de klinische praktijk." Peter Steeneken besluit: "Dit zou een instrument van onschatbare waarde kunnen zijn in de strijd tegen antibioticaresistentie, een steeds grotere bedreiging voor de mondiale volksgezondheid."

Impressie van een grafenen trommel die de trillingen van een enkele bacterie detecteert (Irek Roslon –TU Delft)
/* */