Door naar bacteriën te luisteren, kun je achterhalen of ze leven of niet. Zo kun je snel bepalen of antibiotica werkt. Delftse onderzoekers ontwikkelden een techniek om dit mogelijk te maken door het minimale geluid van bacteriën op te vangen met grafeen.

‘We weten dat velletjes grafeen heel gevoelig zijn voor invloeden van buitenaf’, vertelt de Delftse promovendus Irek Roslon. ‘We vroegen ons af wat er zou gebeuren als je er iets levends op plaatst, zoals een bacterie. Zouden we dan de beweging van zo’n bacterie op kunnen pikken?’ Met die vraag begon het Delftse onderzoek naar het afluisteren van bacteriën.

Drumvel van grafeen

Biologen bestuderen bacteriën meestal onder een microscoop, in vacuüm. Omdat bacteriën die omstandigheden niet overleven, kijken onderzoekers naar dode cellen. Met grafeen is het wel mogelijk om levende bacteriën te bestuderen. Grafeen is een uitzonderlijk dun en sterk materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen, gerangschikt in een kippengaasstructuur. Dat maakt het mogelijk om ‘drumvelletjes’ van grafeen aan te brengen in een vloeistof met levende bacteriën. ‘Het grafeen is dun genoeg om het ‘geluid’ van de bacteriën op te pikken’, vertelt Roslon. ‘En het is tegelijkertijd sterk genoeg om niet te scheuren onder de druk van de vloeistof.’

Zes emmertjes lava halen
LEES OOK
Zes emmertjes lava halen
Impressie van een grafenen trommel die de trillingen van een enkele bacterie detecteert. Bron: Irek Roslon, TU Delft

De onderzoekers testten hun techniek met een vloeistof met daarin de veelvoorkomende bacterie E. coli. ‘Op de grafeenvelletjes smeren we een plakkerig spul waardoor de bacteriën vast komen te zitten als ze te dicht bij het grafeen komen’, vertelt Roslon. Op die ingesmeerde drumvelletjes goten ze de vloeistof met de bacteriën. ‘De bacteriën zakten vervolgens vanzelf naar beneden en plakten vast aan het grafeen.’

Drummende bacteriën

Eenmaal vastgeplakt zorgt de beweging van de bacterie ervoor dat het drumvelletje gaat trillen. Die trillingen zijn piepklein: het velletje beweegt slechts enkele miljoensten van een millimeter. Door er met een laser op te schijnen en het teruggekaatste licht op te vangen, kunnen de onderzoekers deze minitrillingen detecteren. Dat signaal zetten ze vervolgens om in geluid. ‘Het was heel cool om voor het eerst het geluid van een enkele bacterie te horen’, zegt Roslon.

De trilling van het drumvelletje ontstaat vooral door de beweging van het flagellum, het zweepstaartje van de bacterie. Het is alsof de bacterie met zijn staartje op de drum slaat. Maar ook bacteriën zonder staartje kunnen zich – weliswaar iets zwakker – hoorbaar maken, ontdekten de onderzoekers. Roslon: ‘We zijn nog aan het onderzoeken hoe dit kan. Er vinden allerlei processen plaats in een bacterie; hij groeit en deelt. Die kunnen verantwoordelijk zijn voor het zwakke geluid.’

De onderzoekers weten zeker dat het geluid ontstaat door levende bacteriën. Als ze een antibioticum toevoegen, verdwijnt het geluidssignaal binnen één tot twee uur – de tijd die het antibioticum nodig heeft om de bacterie dood te maken.

Antibioticaresistentie

Dit betekent dat je met de grafeentechniek ook kunt testen of bacteriën resistent zijn tegen een bepaald antibioticum. Als ze resistent zijn, dan werkt het middel niet meer en blijven ze dus in leven. Dit is relevant voor de behandeling van patiënten met een bacteriële infectie.

Met de huidige techniek duurt het twee tot drie dagen om te achterhalen welke antibiotica werken voor een patiënt. Met de grafeentechniek zou dit binnen een paar uur kunnen. De onderzoekers willen deze techniek daarom in een start-upbedrijf verder uitwerken tot een commerciële machine voor bijvoorbeeld ziekenhuizen.