Czy bakterie wydają dźwięki? Biorąc pod uwagę ich rozmiar, można by pomyśleć, że zasadniczo to milczą. Jednak okazuje się, że drobnoustroje wydają charakterystyczne dla siebie odgłosy, które wychwycili naukowcy za pomocą ultraczułego urządzenia z grafenu.
Zespołowi naukowców z Uniwersytetu Technicznego w Delfcie w Holandii udało się wychwycić i zarejestrować dźwięki wydawane przez pojedynczą bakterię Escherichia coli. Na nagraniu można usłyszeć ciche szumy wydawane przez patogen. Subtelne odgłosy bakterii zostały zarejestrowane za pomocą ultraczułej membrany grafenowej.
Wyniki eksperymentów zostały opublikowane na łamach pisma „Nature Nanotechnology” (DOI: 10.1038/s41565-022-01111-6).
Grafen do podsłuchiwania bakterii
Grafen – płatek węgla tak cienki jak pojedyncza warstwa atomów – jest rewolucyjnym nanomateriałem ze względu na jego zdolność do łatwego przewodzenia elektryczności, a także jego nadzwyczajną wytrzymałość mechaniczną i elastyczność. Jest 300 razy bardziej wytrzymały niż stal, a do tego niezwykle lekki. Ma też właściwości bakteriobójcze, jest wodoodporny oraz niemal przeźroczysty.
W 2010 roku za badania nad grafenem Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow z Uniwersytetu w Manchesterze otrzymali nagrodę Nobla. Sam opis teoretyczny materiału powstał jednak dużo wcześniej, bo w 1947 roku. Materiał ten może znaleźć wiele zastosowań i ma potencjał, by umożliwić przejście do technologii nowej generacji.
Holenderscy naukowcy skorzystali właśnie z tego materiału w swoich eksperymentach z bakteriami. Stojący za publikacją dr Farbod Alijani i jego zespół początkowo zajmował się podstawami mechaniki grafenu. Z biegiem badań uczeni zaczęli zastanawiać się, co by się stało, gdyby ten niezwykle wrażliwy materiał wszedł w kontakt z pojedynczym obiektem biologicznym.
– Grafen jest formą węgla składającą się z pojedynczej warstwy atomów. Jest znany jako cudowny materiał. Jest bardzo wytrzymały, ma fantastyczne właściwości elektryczne i mechaniczne, a także jest niezwykle wrażliwy na siły zewnętrzne – mówi Alijani.
Dźwięki drobnoustrojów
Pierwsze eksperymenty z podsłuchiwaniem drobnoustrojów uczeni przeprowadzili z bakteriami E. coli. Na potrzeby badań zainicjowali współpracę z grupą specjalistów od nanobiologii oraz nanomechaniki z Uniwersytetu Technicznego w Delfcie. – To było uderzające. Kiedy pojedyncza bakteria przylega do powierzchni bębna grafenowego, generuje losowe oscylacje o amplitudach tak niskich, jak kilka nanometrów. Słyszeliśmy dźwięk pojedynczej bakterii! – przyznaje rozentuzjazmowany Cees Dekker, szef grupy ekspertów od nanobiologii (nagrania dźwięków wydawanych przez bakterie można posłuchać w poniższym materiale).
Niezwykle małe oscylacje, o których wspomina Dekker, są wynikiem procesów biologicznych bakterii, w których główną rolę odgrywają wici – malutkie ogonki wyrastające z powierzchni komórki, które napędzają bakterie. Uderzenia wici, jak porównuje Alijani, są co najmniej 10 miliardów razy słabsze niż cios boksera w worek treningowy. Jednak te uderzenia w nanoskali można przekształcić w ścieżki dźwiękowe i je odsłuchać.
Wykrywanie oporności na antybiotyki
Autorzy badań oceniają, że podsłuchiwanie bakterii może znaleźć zastosowanie w wykrywaniu oporności na antybiotyki. Wyniki eksperymentów pokazały, że bakterie wydawały dźwięki, dopóki nie zostały potraktowane antybiotykami, czyli zabite. Chyba że były odporne na działanie leku.
Wnioski badaczy były takie, że gdybyśmy mogli słuchać bakterii, bylibyśmy w stanie wiedzieć, czy żyją, czy nie. Jak pokazały doświadczenia, jeśli bakterie były oporne na antybiotyk, oscylacje utrzymywały się na tym samym poziomie. Kiedy jednak były podatne na działanie leku, wibracje zmniejszały się do jednej lub dwóch godzin później, ale potem całkowicie zanikały.
– W przyszłości naszym celem jest optymalizacja tej grafenowej platformy wrażliwości na antybiotyki i walidacja jej z różnymi próbkami patogenów. Wszystko po to, by ostatecznie mogła być używana jako skuteczny zestaw narzędzi diagnostycznych do szybkiego wykrywania oporności na antybiotyki w praktyce klinicznej – podkreśla Alijani. – Byłoby to nieocenione narzędzie w walce z opornością na antybiotyki, stale rosnącym zagrożeniem dla zdrowia ludzi na całym świecie – dodał Peter Steeneken z Uniwersytetu Technicznego w Delfcie.
Źródło: Delft University of Technology, fot. Irek Roslon, TU Delft