Wanneer je bacteriën op een grafeenvel zet, blijken ze een detecteerbare drumsolo weg te geven. En dat biedt kansen!

Stel je voor dat je bacteriën kon horen. Dan zou het na een succesvolle antibioticakuur behoorlijk stil worden. En als de kuur niet aanslaat, zou het lawaaiig blijven. Helaas geven bacteriën hun eventuele resistentie voor antibiotica niet op die manier prijs; het zijn tenslotte geen herrieschoppers. Alhoewel; in het blad Nature Nanotechnology maakten Nederlandse onderzoekers onlangs bekend dat ze er in geslaagd zijn om een enkele bacterie af te luisteren.

Hoe dan?
De onderzoekers maakten daarbij gebruik van grafeenvellen. “Grafeen is een vorm van koolstof die bestaat uit een enkele laag atomen en wordt ook wel het wondermateriaal genoemd,” legt onderzoeker Farbod Alijani uit. “Het is heel sterk, met goede elektrische en mechanische eigenschappen en het is ook extreem gevoelig voor externe krachten.”

Bacterie
Dat laatste werd ook wel duidelijk toen onderzoekers een bacterie op het grafeenvel zetten. “Wanneer een enkele bacterie zich hecht aan het grafeenvel (dat hierbij eigenlijk dienst doet als een soort sensor) dan vibreert dat vel met amplitudes van een paar nanometers,” vertelt Alijani aan Scientias.nl. “En die trillingen kunnen we met behulp van laserlicht detecteren.” “We konden het geluid van een enkele bacterie horen!” zo voegt nanobioloog en co-auteur Cees Dekker toe.

Flagellen
De trillingen, oftewel het geluid dat de aan het grafeenvel gehechte bacterie voortbrengt, ontstaan volgens Alijani voornamelijk door toedoen van de flagellen. Dit zijn staarten aan het celoppervlak waarmee de bacteriën voortbewegen. De flagellen doen dienst als een soort drumsticks, waarbij het grafeenvel dus eigenlijk het drumstel is. “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,” stelt Alijani. “Toch kunnen deze beats op nanoschaal worden omgezet in geluidssporen en beluisterd – en hoe cool is dat?”

E. coli
In hun experimenten werkten de onderzoekers met de welbekende bacterie Escherichia coli (kortweg E. coli). “E. coli is de modelbacterie voor biofysisch onderzoek en daar zijn wij dan ook mee begonnen,” vertelt Alijani. “Maar we hebben onze experimenten inmiddels ook uitgebreid met andere bacteriën waaronder Pseudomonas en Klebsiella.” De bevindingen van die studies zijn – in tegenstelling tot de studie met E. coli – echter nog niet gepubliceerd.

Dat de onderzoekers inmiddels ook naar andere bacteriën kijken, is goed te verklaren; de experimenten met E. coli hinten namelijk op een interessante toepassing van grafeen. Zo kan ‘het wondermateriaal’ mogelijk ook worden ingezet in de strijd tegen antibioticaresistentie. Experimenten wijzen namelijk uit dat de niet-resistente bacteriën die op het grafeenvel met antibiotica behandeld worden, al vrij snel stilvallen; de trillingen namen gedurende één of twee uur af, om daarna helemaal te verdwijnen. Heel anders was dat voor resistente bacteriën op het grafeenvel wanneer zij aan antibiotica werden blootgesteld; zij bleven op hetzelfde niveau ‘drummen’. “De belangrijkste toepassing van onze studie is het ontwikkelen van een nieuwe generatie tests waarmee we vast kunnen stellen in hoeverre bacteriële infecties gevoelig zijn voor antibiotica,” stelt Alijani. “Huidige tests kosten vaak veel tijd (zeker 24 tot 48 uur en soms – afhankelijk van de generatietijd van de bacteriën – zelfs nog langer). Onze technologie laat zien dat grafeen de effectiviteit van antibiotica in slechts 1 tot 2 uur kan aantonen en zo de tijd die het kost om antibioticaresistentie te diagnosticeren terug kan brengen van dagen naar enkele uren.”