Microbial Synthesis of Reduced Graphene Oxide Nanosheets by Proteus mirabilis MT378377 and Antibacterial Activity against Multidrug Resistant Bacteria

In der Welt der modernen Materialien sind nur wenige Substanzen so gefeiert wie Graphen. Stellen Sie sich eine Schicht aus Kohlenstoffatomen vor, die in einer perfekten, einlagigen Wabenstruktur angeordnet ist; sie ist unglaublich stark, leitet Elektrizität mit Leichtigkeit und ist so dünn, dass sie im Wesentlichen zweidimensional ist. Die Herstellung dieses makellosen Materials erfordert jedoch oft aggressive Chemikalien, hohe Temperaturen oder teure Ausrüstung, die für den alltäglichen Gebrauch schwer skalierbar sein können. Wissenschaftler suchen seit langem nach einem sanfteren Weg, diese Kohlenstoffschichten herzustellen, einer Methode, die die Effizienz der Natur nachahmt. Ein verwandtes Material namens Graphenoxid ist leichter zu produzieren, trägt aber zusätzliche Sauerstoffatome auf seiner Oberfläche, die es weniger leitfähig und wasserlöslicher machen. Um das Beste aus beiden Welten zu erhalten, versuchen Forscher, diese Sauerstoffgruppen zu entfernen, um „reduziertes Graphenoxid“ zu erzeugen – ein Material, das die nützlichen Eigenschaften von Graphen beibehält, aber einfacher zu handhaben ist. Die Herausforderung besteht darin, eine Methode zu finden, um diese Sauerstoffgruppen zu entfernen, ohne auf toxische Chemikalien oder extreme Hitze zurückzugreifen, was Wissenschaftler dazu veranlasste, in der mikroskopischen Welt der Bakterien nach einer Lösung zu suchen.

Ein Forschungsteam am Lahore College for Women University in Pakistan entschied sich zu testen, ob ein spezifisches Bakterium diese chemische Transformation durchführen könnte. Sie begannen mit der Sammlung von Bodenproben und isolierten verschiedenen Bakterienkolonien, die sie daraufhin untersuchten, um zu sehen, welche sie auf natürliche Weise in der Lage waren, Graphenoxid zu reduzieren. Nach dem Testen mehrerer Kandidaten identifizierten sie einen einzelnen Stamm, der herausstach. Durch eine genetische Analyse bestätigten sie, dass es sich bei diesem Bakterium um Proteus mirabilis handelt, einen häufigen Mikroorganismus, der in der Umwelt vorkommt. Sie nannten ihren spezifischen Stamm MT378377 und machten sich daran zu verstehen, wie genau er funktioniert und unter welchen Bedingungen er am besten arbeitet. Das Ziel war es, einen sauberen, umweltfreundlichen Prozess zu schaffen, der diese Kohlenstoff-Nanosheets in großen Mengen produzieren kann, was potenziell eine grünere Alternative zur traditionellen chemischen Fertigung darstellt.

Die Forscher entdeckten, dass das Bakterium als lebende Fabrik für diese Nanomaterialien fungierte. Wenn sie die Bakterien mit einer Graphenoxid-Lösung mischten, begannen die Mikroben, die Sauerstoffgruppen abzuspalten, wodurch sich die Mischung tiefschwarz färbte, was die Bildung von reduziertem Graphenoxid signalisierte. Um das perfekte Rezept für diesen biologischen Prozess zu finden, passte das Team verschiedene Bedingungen an, ganz so wie ein Koch, der ein Gericht abstimmt. Sie fanden heraus, dass die Bakterien bei einer warmen Temperatur von 37 Grad Celsius am besten arbeiteten, was der Standardkörpertemperatur vieler Organismen entspricht. Sie entdeckten auch, dass der Säuregehalt des Wassers wichtig war; eine leicht saure Umgebung mit einem pH-Wert von 5 ermöglichte es den Bakterien, das meiste Material zu produzieren. Das Hinzufügen einer winzigen Menge Salz, speziell Natriumchlorid, half dem Prozess auf die Sprünge, ebenso wie das Hinzufügen eines spezifischen Tensids namens Tween 80, das hilft, Substanzen zu vermischen, die normalerweise nicht gut miteinander verschmelzen. Die effektivste Konzentration des ursprünglichen Graphenoxids war ein Milligramm pro Milliliter, und die Bakterien arbeiteten am besten, wenn sie im Dunkeln statt im Licht gehalten wurden.

Nachdem die optimalen Bedingungen festgelegt worden waren, maß das Team, wie viel Material produziert wurde und wie es aussah. Unter den richtigen Bedingungen erzeugten die Bakterien eine signifikante Menge an reduziertem Graphenoxid, was die Forscher mittels Lichtabsorptionsmessungen bestätigten. Als sie das Endprodukt unter leistungsstarken Mikroskopen untersuchten, sahen sie, dass die Bakterien erfolgreich dünne, schichtartige Strukturen geschaffen hatten. Diese Schichten waren etwa 91 Nanometer groß – ein Maßstab, bei dem eine Million von ihnen über die Breite eines menschlichen Haares passen würden. Das Material trug zudem eine negative elektrische Ladung auf seiner Oberfläche, was hilft, die Schichten zusammenhalten zu verhindern und sicherzustellen, dass sie in Wasser suspendiert bleiben. Die chemische Analyse zeigte, dass die Bakterien zwar viele der Sauerstoffgruppen aus dem ursprünglichen Graphenoxid entfernt hatten, einige Sauerstoffgruppen jedoch an der Oberfläche verblieben, was dem Material einzigartige chemische Eigenschaften verlieh.

Die Forscher testeten dann, ob diese neu geschaffenen Nanosheets in der Lage waren, gefährliche Bakterien abzuwehren, wobei sie speziell auf multiresistente Stämme von Escherichia coli, Staphylococcus aureus und Salmonella typhi acht gaben. Sie verglichen die Leistung des ursprünglichen Graphenoxids, des neuen reduzierten Graphenoxids und von Standardgraphit. Die Ergebnisse waren überraschend. Das ursprüngliche Graphenoxid erwies sich als potente Waffe, indem es klare Zonen schuf, in denen Bakterien nicht wachsen konnten, wobei der Effekt mit zunehmender Konzentration stärker wurde. Das durch die Bakterien erzeugte reduzierte Graphenoxid zeigte jedoch keinerlei Fähigkeit, diese resistenten Erreger bei den getesteten Konzentrationen abzutöten. Auch der Standardgraphit konnte die Bakterien nicht stoppen. Das Team kam zu dem Schluss, dass, obwohl die Bakterien das Material erfolgreich hergestellt hatten, die spezifische chemische Struktur des reduzierten Graphenoxids es weniger effektiv beim Abtöten von Bakterien machte als die ursprüngliche, unreduzierte Version.

Trotz der mangelnden antibakteriellen Aktivität des Endprodukts unterstreicht die Studie eine erfolgreiche und umweltfreundliche Methode zur Herstellung von Nanomaterialien. Die Forscher merkten an, dass das von ihnen produzierten reduzierte Graphenoxid ungiftig ist und funktionelle Gruppen besitzt, die für andere Anwendungen nützlich sein könnten, wie etwa für den Transport von Medikamenten oder Genen in Zellen für medizinische Behandlungen. Die große Oberfläche des Materials deutet zudem darauf hin, dass es in industriellen Settings nützlich sein könnte, beispielsweise als Schmiermittel für Maschinen. Obwohl dieser spezifische Bakterienstamm kein Material erzeugte, das auf sich allein gestellt multiresistente Bakterien tötet, bietet der Prozess selbst einen vielversprechenden, energiearmen Weg, um Nanomaterialien zu erschaffen, die mit anderen Wirkstoffen kombiniert werden können, um Infektionen zu bekämpfen oder als fortschrittliche Verabreichungssysteme in der Medizin zu dienen. Die Arbeit zeigt, dass die Natur tatsächlich genutzt werden kann, um komplexe Materialien zu bauen, sofern die richtigen Bedingungen erfüllt sind.