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Bakterielle Nanosensoren

von Petra Stöcker (Laborjournal-Ausgabe 12, 2005)


Cyborgs - halb Mensch, halb Maschine - gehören mittlerweile zum Standardrüstzeug eines jeden Science Fiction-Streifens. Taufrisch ist dagegen der "Cellborg", eine Eigenkreation aus dem Labor von Vikas Berry und Ravi Saraf vom Department of Chemical Engineering der University of Nebraska. Sie banden auf einem Silikonchip lebende Bakterien in einen elektrischen Stromkreis ein - und erhielten damit einen hochsensiblen, Nanometer-kleinen Luftfeuchtigkeitsmesser. Diese bioelektronische Erfindung stellten sie kürzlich in Angew. Chem. Int. vor (Bd. 44, S. 2-7).

Bei der Entwicklung dieses hybriden Sensors mussten die US-Forscher vor allem zwei Herausforderungen knacken. Zum einen galt es, die Mikroorganismen unversehrt auf dem Metall zu befestigen; und zum anderen mussten sie die biologische Antwort auf einen äußeren Reiz unmittelbar mit dem Stromfluss verknüpfen.


Bad in Gold

Den mikrobiellen Part übernahmen grampositive, stäbchenförmige Bakterien vom Typ Bacillus cereus, die den Musterungsanforderungen bei der Sensor-Produktion von 4-6 µm Länge und 0,8-1,0 µm Durchmesser entsprechen mussten. Die so ausgewählten Kerlchen hefteten die Autoren derart an die Oberfläche eines poly(L-Lysin)-beschichteten Silikonchips, dass sie die dort aufgebrachten Elektroden überbrückten. Den besiedelten Chip tauchten sie in ein Bad mit ebenfalls poly(L-Lysin)-umhüllten, 30 nm großen Goldpartikeln. Da sowohl der Chip als auch die Goldteilchen positiv geladen sind, verknüpften sich letztere selektiv mit den negativ geladenen langen Teichonsäuremolekülen der Bakterienoberfläche, die somit als organischer Crosslinker funktionieren.

Teichonsäure ist ein Sammelbegriff für alle Membran- und Kapselpolymere, die Glycerolphosphate oder Ribitolphosphat-reste besitzen - und Bacillus cereus unter dem Mikroskop ein borstiges Aussehen verleihen. Diese flexiblen Säuremoleküle umschlingen nun auf dem Chip die Edelmetall-Nanopartikel und wirken so als dielektrische Barriere. Heraus kommt quasi ein stromleitender Gold-Draht im Nanometermaßstab.


Wird's feucht, quillt die Zelle...

Da die vergoldeten Bakterienkörper eine hygroskopische Peptidoglykan-haltige Membran tragen, schwellen sie bei einer Erhöhung der Luftfeuchtigkeit an wie ein Ballon. Durch diese Ausdehnung werden die einander benachbarten Gold-Nanopartikel auf der Oberfläche weiter voneinander entfernt, was wiederum die "Weitsprungstrecke" für den Einzel-Elektronentransport zwischen den Goldborsten verlängert und so den Stromfluss über den Chip vermindert.

Glanzstück der Konstruktion ist die extreme Empfindlichkeit, mit der sie auf eine Änderung der Luftfeuchtigkeit reagiert. Gemessen wurde der Stromfluss bei einer Spannung von zehn Volt. Vermindert sich die Raumluftfeuchtigkeit von 20 auf annähernd 0 Prozent, verringert dies den interpartikulären Abstand der Borsten auf weniger als 0,2 µm, was wiederum den Stromfluss um das 40-fache ansteigen lässt. Geräte ohne biologische Hilfe schaffen hier gerade mal das 10-fache. Da der wasserdampfabhängige Blähvorgang der Mikrobe reversibel verläuft, ist es unwahrscheinlich, dass der Eigenwassergehalt von Bacillus cereus eine ausschlaggebende Rolle spielt.


...und der Stromfluss nimmt ab

Mit dem Überlebenswillen der Bazillen ist es dagegen so eine Sache: Einmal auf der Silikonoberfläche festgeklebt, bleiben sie maximal zwei Tage am Leben. Doch auch im abgestorbenen Zustand, quasi als Zombie, quellen sie noch folgsam bei ansteigender Feuchtigkeit - und das sogar über Monate hinweg, so Ravi Saraf. Gelänge es noch, die Bakterien am Sterben zu hindern, wäre es laut Saraf sogar möglich, durch deren Energiehaushalt den elektrischen Strom anzutreiben, statt nur zu vervollständigen.

Der Gedanke, mittels biologischer Sensoren kaum wahrnehmbare Umweltveränderungen einfach darzustellen, wurde schon vor Berry und Sarafs Publikation in pfiffigen Experimenten umgesetzt, hier allerdings ohne anorganische Teilnehmer. Ron Weiss und sein Team vom Department of Electrical Engineering and Department of Molecular Biology der Princeton University etwa programmierten Zellen so, dass sie sich aufgrund spezieller Informationen aus ihrer Umgebung in bestimmten Mustern anordneten (Nature 434, S. 1130). Modellorganismus hier: die äußerst umgänglichen E.coli-Bakterien. Sie wurden mittels unterschiedlich konstruierten Plasmiden einerseits zu "Sender-Zellen", andererseits zu "Empfänger-Zellen" programmiert. Die Zellkommunikation zwischen beiden startete, indem die Senderbakterien über spezifische Enzym-Induktion ihre Acyl-Homoserin-Lacton(AHL)-Synthese ankurbelten. Das Lakton diffundiert anschließend durch die Zellmembran nach außen, bildet einen chemischen Gradienten um die Zelle - und erreicht schließlich nahe gelegene Empfängerbakterien. Dadurch startet in diesen eine Signalkette die Produktion von Green Fluorescent Protein (GFP), was sich im Fluoreszenz-Mikroskop natürlich sogleich als grüner Schimmer zeigt - und zwar umso stärker, je näher sie beieinander siedeln.


Kleeblatt bei Anthrax?

Bei der Gestaltung der Muster konn-ten sich die Wissenschaftler durch gezieltes "Genetic Engineering" durchaus kreativ austoben. Die Palette reichte von Bullaugen und Ellipsen bis hin zu Kleeblättern. Bastelt man nun mittels dieser so genannten "synthetischen Biologie" aus den beteiligten Bakterien regelrechte "Spezialeinheiten", könnten diese selektiv auf bestimmte Gase oder giftige Substanzen reagieren. Nach den Hoffnungen von Ron Weiss könnte dann ein liebliches Kleeblatt beispielsweise auf gefährliches Anthrax hinweisen.



Letzte Änderungen: 10.01.2006


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