Přemýšleli jste někdy, zda bakterie vydávají nějaké charakteristické zvuky? Kdybychom měli možnost naslouchat bakteriím, mohli bychom také zjistit, zda jsou živé nebo ne. V případě, že na bakterii budeme působit antibiotikem a bakterie v důsledku toho zemře, tyto zvuky ustanou. Pokud je však bakterie na dané antibiotikum rezistentní, zvuky bude vydávat i nadále.

A právě touto problematikou se zabývali vědci z nizozemské Delft University of Technology. Týmu vedenému dr. Farbod Alijani se nyní podařilo pomocí grafenu zachytit velmi slabý šum pocházející od jediné bakterie. Jejich studie byla publikována v prestižním časopisu Nature Nanotechnology.

Zvuk vydávaný jedinou bakterií

Nizozemští výzkumníci původně zkoumali základy mechaniky grafenu. Pak je ale napadla myšlenka, co by se stalo, kdyby se tento extrémně citlivý materiál dostal do kontaktu s biologickým objektem o rozměrech bakteriální buňky.

„Grafen je forma uhlíku skládající se z jediné vrstvy atomů, je známá jako „zázračný materiál“,“ říká Alijani. „Je velmi pevný s dobrými elektrickými a mechanickými vlastnostmi a je také extrémně citlivý k působení vnějších sil."

Proto vědci iniciovali spolupráci s nanobiologickou skupinou Cees Dekkera a nanomechanickou skupinou Petera Steenekena a provedli své první experimenty s bakterií E. coli.: „To, co jsme viděli, bylo ohromující! Když jediná bakterie přilne k povrchu grafenového bubnu, generuje náhodné oscilace s velmi malými amplitudami – jen několik nanometrů, které jsme poté mohli detekovat. Slyšeli jsme zvuk jediné bakterie!“ komentuje výsledky Cees Dekker.

Poslechněte si, jak zní bakterie. Zdroj: Cees Dekker Lab

Bakterie bubnující na grafenový buben

Extrémně malé oscilace jsou výsledkem biologických procesů bakterií – zejména pohybu jejich bičíků. „Síla úderu bičíku do grafenového bubnu je přibližně deset miliardkrát menší než síla úderu boxera do boxovacího pytle. Přesto jsme ale schopni tyto nanoúdery převést na zvukové stopy a poslechnout si je – to je přece úžasné,“ neskrývá nadšení Alijani.

a Schéma uspořádání interferometrického měření použitého pro záznam nanopohybu. OSC – osciloskop, PD – fotodioda. b Mikroskopický snímek řady zavěšených grafenových bubnů s jedinou buňkou E. coli. Bílá čára odpovídá 20 μm. c Přiblížený snímek z optického mikroskopu. Bílá čára odpovídá 5 μm. d Přiblížený snímek z rastrovacího elektronového mikroskopu. Bílá čára odpovídá 5 μm. e Oscilace na zavěšeném grafenovém bubnu ponořeném do sterilního LB média (kultivační médium pro baktereie) (vlevo) a oscilace na zavěšeném grafenovém bubnu s přisedlou bakterií (vpravo). Zdroj: 10.1038/s41565-022-01111-6

Grafen pro rychlou detekci antibiotické rezistence

Tento výzkum má pozitivní dopady, co se týče možností detekce antibiotické rezistence. Vědcům se podařilo experimentálně dokázat, že bakterie odolné vůči působení antibiotika vytvářely oscilace na grafenu i v přítomnosti antibiotika. Naproti tomu v případě bakterií citlivých se vibrace grafenu po jedné až dvou hodinách výrazně snížily až vymizely zcela. Díky vysoké citlivosti grafenových bubnů lze navíc tento jev detekovat i u jediné buňky, což je velmi výhodné.

b,c Zaznamenané oscilace na grafenovém bubnu s citlivou E. coli před (černá) a po přidání antibiotika (oranžová): rifampicin (b) a ciprofloxacin (c). d Zaznamenané oscilace na grafenovém bubnu s bakterií E. coli rezistentní ke kanamycinu před přidáním antibiotika (černá), po 1 hodině od přidání kanamycinu (černá) a následně po 1 hodině od přidání chloramfenikolu (oranžová). Zdroj: 10.1038/s41565-022-01111-6

„Do budoucna bychom se chtěli zaměřit na optimalizaci naší grafenové platformy pro stanovení citlivosti jediné bakterie na antibiotikum. Momentálně pracujeme na jejím testování s využitím různých patogenních bakterií. Náš cíl je jednoznačný – vyvinout účinný diagnostický nástroj pro rychlou detekci antibiotické rezistence použitelný v klinické praxi,“ popisuje Farbod Alijani. „Byl by to neocenitelný nástroj v boji proti antibiotické rezistenci, která je stále rostoucí hrozbou pro lidské zdraví na celém světě,“ vysvětluje důležitost výzkumu Peter Steeneken.

Originální publikace: Nature Nanotechnology (impact factor: 39,2)

Zdroj: Delft University of Technology

Zdroj titulního obrázku: CDC, Unsplash

Více z mikrobiologie na CZECHSIGHT:

Vědci ušili bakteriím neviditelný plášť. Mohly by pomoci v léčbě rakoviny
Probiotické bakterie mají příznivý vliv na lidské zdraví. V budoucnu by své uplatnění mohly najít i v léčbě rakoviny. Americký tým vědců pro tento účel bakterie naprogramoval tak, aby byly neviditelné pro imunitní systém.
Antibiotická krize klepe na dveře: Rezistence v roce 2019 zabila více lidí než malárie a AIDS dohromady
Antibiotickou rezistenci řadí Světová zdravotnická organizace mezi nejvážnější hrozby pro naše zdraví již delší dobu. Problematikou se intenzivně zabývají vědci po celém světě, probíhá osvěta mezi laickou veřejností, přesto se však situace nelepší. Aktuální globální studie přináší hrozivá data.