Replika starověkého čínského seismoskopu z východní dynastie Han. Vynálezcem byl Zhang Heng. Kredit: Chabot Space & Science Center. CC BY-SA 3.0

Když plaveme, tak to šplouchá a okolí nás slyší. Platí to i pro lodě a ponorky. Sonary podle charakteru zvukové stopy určí i o jakou loď či ponorku jde. Tým vedený Farbodem Alijanim z Delft University of Technology si položil otázku, zda to platí i pro bakterie. Výsledkem je nástroj, který má velkou šanci řešit problémy stále rostoucí hrozby pro zdraví nás všech - antibiotickou rezistenci.

Teoreticky bylo vše jasné již od samého počátku - pohyby živé bakterie musí v prostředí působit vibrace. Problém byl v tom, jak nanovibrace měřit. Nejspíš se vědci inspirovali historií, kdy se bubny zakopávaly do země. Metoda odposlechu pomocí bubnů zachránila například i Brno, když se ho v roce 1645 snažili dobýt Švédové podkopáním tunelů pod hradbami. Posun hracích kostek položených na blánách bubnů tehdy obráncům prozradil, odkud nebezpečí hrozí. Pochopitelně, že to nebyl první případ detekce vibrací. Za vynálezce prvního přístroje, dnes bychom řekli seismoskopu, je označován čínský astronom Zhang Heng. Jeho zařízení z roku 132 našeho letopočtu sestávalo z velké bronzové nádoby tvaru soudku o průměru asi dva metry. Na vnější straně mělo 8 dračích hlav a v nich byly kuličky. Kyvné zařízení uvnitř nádoby reagující na chvění otvíralo dračí čelisti z nichž v patřičném směru vypadla kulička do tlamy žáby. Přístroj, nejenže registroval zemětřesení, ale podle toho, která z osmi ropuch měla kuličku v tlamě, udávala směr šíření vln. Císař tak s předstihem věděl v které části říše zemětřesení páchalo škody. Zařízení bylo tak citlivé, že zachytilo otřesy, jejichž epicentrum bylo 600 kilometrů daleko.

Schema grafenového bubnu detekujícího vibrace bakterie (Irek Roslon – Delft University of Technology)

Nizozemští vědci svou metodu detekce vibrací vyluzovaných bakteriemi nazvali technologií zavěšeného grafenového bubnu. Tak, jako u každého bubnu je i v tomto případě základem blána. Tu tvoří ultratenká dvouvrstva grafenu. Aby jí rozechvěly i ty nejmenší vibrace, je tenčí než jeden nanometr. Kotel bubnu tvoří kruhová dutina o průměru osm mikrometrů a hloubce necelé tři stovky nanometrů. Tak titěrné prohlubně se vědcům podařilo připravit procesem leptání křemíkové destičky. Výsledné zařízení je ve skutečnosti tvořeno tisíci takových dutin pokrytých grafenovou membránou. Výsledek připomíná jakýsi čip, který se ponořuje do kyvety,v níž se měření provádí. Pohyb bakterie vychyluje grafenovou membránu a její prohýbání se přes průhlednou stěnu kyvety měří laserovým paprskem.

Farbod Alijani, vedoucí výzkumného kolektivu: „Údery bičíku bakterie jsou nejméně 10 miliardkrát menší intenzity než údery boxera do boxovacího pytle. Přesto lze tyto rytmy v nanoměřítku převést na zvukové stopy a poslouchat je." Kredit: TU Delft.

Pokud jste si nad nápadem vědců a při čtení nadpisu článku klepali na čelo (stejně jako my), vězte, že to nebyl od nich až tak bláznivý nápad. Modulace intenzity odraženého světla dokáže toho o bakteriích zjistit hodně. Pohyb je pro ně nejen charakteristický, ale je to také projev jejich života. Toho se dá využít například k určování odolnosti vůči antibiotikům. Zatímco stávající praxe léčby antibiotikem vypadá tak, že lék nasadí a pak se čeká, zda se pacientův stav zlepší. Případně se v laboratorních testech na kultivačních mediích složitě za sterilních podmínek (a za draho) zjišťuje, na co je konkrétní mutace patogenu citlivá, v případě měření životních projevů bakterií bubnem u těch citlivých na lék to zjistíme snadno - jejich pohyb rychle ustává. Jinak řečeno pouhým odposlechem poznáme zda bude mít léčba efekt nebo ne.

Předvedený prototyp experimentálního zařízení je schopen detekovat pohyby byť jediné bakterie. Test na bakterii E. Coli ukázal, že u rezistentního kmene vůči konkrétnímu antibiotiku oscilace pokračují na stejné úrovni, při použití vhodnějšího antibiotika pohyby ustanou během jedné až dvou hodin.

Metoda detekce nanopohybů bakterií principem grafenových bubnů má všechny předpoklady se ujmout jako neinvazivní monitorovací technika využitelná jak v buněčné biologii, tak se stát základem pro rychlé a levné screeningové testy v personalizované medicíně. Kromě rychlé diagnostiky v klinice, lze očekávat i využití při ověřování účinnosti nových léků. Rozšíření spektra nových přípravků je rovněž žádoucí. Přispělo by to k řešení problému snižující se účinnosti antibiotik následkem jejich nevhodného používání.

Video: Bacterial Soundtracks Revealed by Graphene Membrane

Literatura

Irek E. Rosłoń, et al.: Probing nanomotion of single bacteria with graphene drums. Nature Nanotechnology (2022)