Wie Forschende mit lokalisierten ­Oberflächenplasmonen genetische Signaturen von Bakterien entschlüsseln und ­Antibiotikaresistenzen aufdecken

Die zunehmende Verbreitung von Antibiotikaresistenzen stellt eine weltweite Bedrohung für die menschliche Gesundheit dar, weil sie unsere wichtigsten Waffen gegen bakterielle Infektionen wirkungslos macht und damit die Behandlung von ansonsten heilbaren Krankheiten erschwert. Ein Forschungsteam am Leibniz-IPHT hat einen neuen, auf lokalisierter Oberflächenplasmonen-Resonanz (LSPR) basierenden Sensor entwickelt, um die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen zu überwachen. Diese kostengünstige und einfache Methode ermöglicht die Identifizierung von Genen, die Bakterien gegen gängige Antibiotika immun machen.

Mit Hilfe von Licht und Nanopartikeln entschlüsseln die Forschenden die genetischen Signaturen bestimmter Bakterien. Dazu nutzen Anne-Kathrin Dietel, Florian Seier und Stephan Kastner aus der Forschungsabteilung Nanobiophotonik die besonderen optischen Eigenschaften winziger Metallstrukturen, der Nanopartikel. Diese Nanopartikel interagieren mit Licht auf eine besondere Weise, die als lokalisierte Oberflächenplasmonen-Resonanz bekannt ist. Bei diesem Phänomen schwingen die freien Elektronen der Nanopartikel im Gleichklang mit den einfallenden Lichtwellen und erzeugen so eine deutlich sichtbare Farbresonanz.

Maßgeschneiderte ­Nano­partikel

Die Forschenden entwickeln Metall-Nanopartikel mit genau definierten optischen Eigenschaften. Diese maßgeschneiderten Partikel kombinieren sie mit Biomolekülen, wie DNA, um funktionale Nanostrukturen zu schaffen. Aus diesem Ansatz haben sie einen optischen Sensor entwickelt, der Resistenzgene von Bakterien mit hoher Genauigkeit aufspüren kann. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf dem blaSHV-Gen, das Bakterien gegen ein breites Spektrum von Antibiotika resistent macht.

Das blaSHV-Gen: Ein ­Überträger von Resistenzen

„Dieses antimikrobielle Resistenzgen kann Beta-Laktam-Antibiotika unwirksam machen, welche zu den meistverwendeten Antibiotikaklassen zählen“, erläutert Anne-Kathrin Dietel. „Die Tatsache, dass diese Gene sich durch horizontalen Gentransfer zwischen verschiedenen Bakterienarten übertragen, beschleunigt die Verbreitung der Antibiotikaresistenz signifikant.“

„Ein entscheidender Vorteil unserer Methode liegt darin, dass sie ohne die üblicherweise benötigten Marker oder Farbstoffe auskommt und extrem miniaturisiert werden kann“, erklärt Stephan Kastner. „Dieser Aspekt macht den Test einfacher, schneller und kostengünstiger.“ Die Forschenden demonstrierten die Effizienz des Sensors, indem sie sogar Einzelpunktmutationen des blaSHV -Gens nachweisen konnten, welche bei Behandlungen entscheidend sind für die Wahl des geeigneten Resistenzgeninhibitors. Dieser wirkt gegen das Genprodukt – die Beta-Lactamase – und somit gegen das Enzym, das die Bakterien gegen Beta-Laktam-Antibiotika resistent macht. Diese gehören zu den am häufigsten eingesetzten Antibiotikaklassen und sind bei der Behandlung bakterieller Infektionen – von relativ leichten Hautinfektionen bis hin zu schweren Erkrankungen wie Lungenentzündung, Meningitis und Sepsis – oft die erste Wahl.

Die Forschungsergebnisse könnten in der klinischen Diagnostik die Auswahl der richtigen Behandlungsmethoden bei Infektionen erleichtern und die Überwachung der Verbreitung von Antibiotikaresistenzen verbessern.

Original-Publikation: https://doi.org/10.1002/smll.202207953