Autonome Mikrokapsel als Falle für Bakterien

Eine motorisierte, zwiebelartig aufgebaute Mikrokapsel kann pathogene Keime anlocken, fangen und zerstören: Antibiotika wirken effizienter, wenn sie die Bakterien unverdünnt und direkt am Ort des Befalls bekämpfen können.

In der Zeitschrift Angewandte Chemie beschreiben amerikanische Wissenschaftler eine synthetische chemische Falle, die von selbst an ihren Wirkungsort schwimmt, Bakterien anlockt, einfängt und schließlich konzentriert vernichtet. Dabei sei die Kommunikation mit dem Ziel eine der wichtigsten Funktionen der Mikrokapsel, so die Autoren.

Die Wissenschaftler entwickelten die Multifunktions-Mikrokapsel, weil sich die verabreichten Medikamente in der Regel im Körper erst verteilen und somit verdünnen, bevor sie wirken können. Könnten Medikament und Ziel direkt zusammengeführt werden, würden auch weniger Arzneimittel verschwendet. Forscher um Joseph Wang an der University of California in San Diego haben nun eine chemische Falle entwickelt, die autonom unterwegs ist, Erreger anlockt, sie einfängt und schließlich vernichtet. Diese autonom schwimmende Mikrokapsel setzt nacheinander chemische Substanzen frei und könnte gegen Magenentzündung nützlich sein.

Aufgebaut war der Mikroschwimmer nach dem Zwiebelprinzip auf. Als Kern besaß er einen Magnesiummotor, eine Mikrokugel aus Magnesiummetall. Diese Kugel war nicht im ganzen Umfang mit mehreren Polymerschichten überzogen, jede mit einer eigenen Funktion. Das Magnesiummetall löst sich in einem sauren Milieu, wie es im Magen vorherherrscht, auf. Durch Reaktion mit der Säure entstehen Wasserstoffblasen, deren Rückstoß den Mikroschwimmer vorwärts treiben, ähnlich wie bei einem düsengetriebenen U-Boot. Diese Bewegung endete jedoch an einer Wand, zum Beispiel der Magenschleimhaut. Nachdem sich der Magnesiummotor ganz aufgelöst hatte, blieb eine Hohlstruktur von etwa der dreißigfachen Größe eines Bakteriums zurück.

Diese mehrwandige kugelförmige Tüte wirkte als Falle. Ihr Inneres lockte die Bakterien mit Leckerbissen an und verwandelte sich dann in einen giftigen Käfig. Die Innenwand des Hohlraums bestand aus einem säurelöslichen Polymer, in das die Aminosäure Serin eingearbeitet war. Serin ist für das Darmbakterium Escherichia coli ein Zeichen, dass Nahrung in der Nähe ist. Beim Auflösen des Polymers in der Säure kam das Serin frei und durch ein Phänomen namens Chemotaxis machten sich die Bakterien auf den Weg zur Quelle. Die Forscher beobachteten unter dem Mikroskop, wie sich die Bakterien im Inneren der Hohlkugel ansammelten.

Als letzter Schritt wurde das Toxin aktiviert. Eine weitere Polymerschicht der Bakterientüte löste sich auf und setzte Silberionen frei, die die Bakterien abtöteten. Dieses Mehrstufenwirkverfahren stellt nicht nur einen neuartigen Ansatz dar, wie Antibiotika effizienter werden können. Die Autoren sehen darin auch einen „ersten Schritt, wie synthetische Mikroschwimmer und beweglichen Mikroorganismen miteinander kommunzieren können“. Sie glauben, dass das Konzept allgemein auf Dekontaminations- und Reinigungsfragen angepasst werden könnte, zum Beispiel in der Lebensmittel- und Gesundheitsindustrie oder für die Sanierung von Böden.

Originalpublikation:
Soto F et al. Onion‐like Multifunctional Microtrap Vehicles for Attraction–Trapping–Destruction of Biological Threats. Angewandte Chemie 2019.