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Der Nachweis infektiöser Keime in Wasser oder Lebensmitteln dauert mehrere Tage. Ein neuer Test wird es in ein paar Stunden tun.
Die meisten Bakterien in unserer Umwelt sind für den Menschen ungefährlich. Andere – wie Salmonellen, Kolibakterien oder Cholera-Erreger – können Krankheiten auslösen. Diese krankheitserregenden Bakterien können in Lebensmitteln und Getränken vorhanden sein oder das Trinkwasser kontaminieren. So war vor wenigen Wochen das Trinkwasser in der niederösterreichischen Handelsstadt Zeillern zeitweise mit Kolibakterien verseucht. Vermutungen zufolge gelangten sie durch Waschen in Oberflächengewässern in Trinkwasserquellen.
Um in solchen Fällen die Ausbreitung von Krankheiten zu verhindern und gegebenenfalls die betroffenen Produkte rechtzeitig aus der Lebensmittelindustrie zu nehmen, braucht es schnelle Beweise. Die Diagnose infektiöser Bakterien in Wasser, Getränken oder Lebensmitteln basiert normalerweise auf Bakterienwachstum im Labor. Allerdings liegen die Ergebnisse erst in zwei bis drei Tagen vor. Schnellere molekularbiologische Methoden sind dagegen teurer und oft nicht empfindlich genug.
Zuverlässiger Schnelltest
Ein Forschungsteam um Ivan Barisic vom Center for Health and Bioresources am Austrian Institute of Technology (AIT) bietet nun eine Alternative. Gemeinsam mit internationalen Partnern wurde ein neuartiges spektrometrisches Verfahren entwickelt, mit dem pathogene Bakterien wirtschaftlich, zuverlässig und innerhalb von 3 Stunden nachgewiesen werden können. Dabei kommt ein Verfahren zum Einsatz, das auf biotechnologisch hergestellten Proteinen basiert, die sich an DNA-Stränge anheften. „Wir entwickeln neue Arten von Enzymen: die sogenannten Peroxidasen“, sagt Barisic gegenüber futurezone.
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Wesentlich ist, dass diese künstlich hergestellten Biomoleküle die richtige Struktur haben. Um seinen komplexen Plan genau berechnen und Simulationen durchführen zu können, hat das Forschungsteam ein auf künstlicher Intelligenz (KI) basierendes System namens Catana entwickelt. „Es ist ein browserbasiertes Tool, mit dem man im Nanomaßstab modellieren kann. Man kann damit Proteine, DNA, DNA-Nanostrukturen und andere Strukturen auf molekularer Ebene aufbauen“, sagt der Forscher. Wird die Aminosäuresequenz – also die Abfolge der einzelnen Grundbausteine des Proteins – in das Programm eingespeist, spuckt Googles eingebaute KI „AlphaFold“ auf dieser Basis ihre exakte 3D-Struktur aus. „Die Datenbank enthält alle Proteinstrukturen, die öffentlich zugänglich sind“, sagt der Forscher. Auf diese Weise kann der Arbeitsaufwand im Labor deutlich reduziert werden.
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Wenn infektiöse Bakterien in Trinkwasser oder Wasser der Lebensmittel- und Getränkeindustrie vorhanden sind, verändern die produzierten Moleküle ihre Struktur. „Die Enzyme erzeugen eine Farbveränderung im Wasser, die man auch mit bloßem Auge sehen kann“, sagt Barisic. Langfristiges Ziel ist es, einen Bakterien-Schnelltest, auch Corona-Test genannt, für den Laien nutzbar zu machen. Das Verfahren könnte beispielsweise in die Leitungen von Wasserversorgern integriert und von Technikern ohne Fachkenntnisse ausgelesen werden. Hardware dafür muss allerdings noch entwickelt werden.
Der Test befindet sich derzeit in der Entwicklungsphase. Eine Validierungsstudie wird die Genauigkeit der Methode zeigen. Das Forschungsprojekt dauert noch bis nächstes Jahr: Das System soll zu einer kommerziell nutzbaren Anwendung weiterentwickelt werden, die ein Spin-off-Unternehmen in etwa 3 bis 5 Jahren auf den Markt bringen wird. Die Entwicklung des Testprototyps wird im Rahmen des EU-Forschungsprogramms „Horizon 2020“ mit rund 2 Millionen Euro gefördert.
Die Catana-Software selbst ist für Forscher weltweit frei zugänglich, aber laut Barisic könnte diese Art der Nanomodellierung in Zukunft mehrere Anwendungen finden. Unter anderem könnten damit molekulare Maschinen konstruiert werden, die zum Beispiel in der Diagnostik eingesetzt werden können. Ein Rotor bestehend aus 4 Komponenten und einer Größe von 200 Nanometern wurde bereits erstellt. Die Technologie könnte auch bei der Arzneimittelentwicklung und Enzymverbesserung helfen.
Schalten Sie das Infofeld um
Spätestens seit Corona kennt jeder die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), ein Schnelltest zum Nachweis von Viren im Körper. Auch für Bakterien haben Forscher des Universitätsklinikums Freiburg ein neuartiges PCR-Verfahren entwickelt. Damit sollen Erreger bei schweren Lungenentzündungen diagnostiziert und schneller als bisher die erforderlichen Ergebnisse erzielt werden.
Dadurch könne die Gabe von Breitbandantibiotika, die Patienten derzeit auch ohne Bakterienbefund erhalten, so Forschungsleiterin Daiana Stolz, verkürzt werden. Die weitere medikamentöse Therapie kann schließlich entsprechend angepasst werden, wie Wissenschaftler in einer Studie gezeigt haben.
45 Prozent
Mit dem neuen Schnelltest kann das Medikament gezielt in wenigen Stunden verabreicht werden. Nach den Ergebnissen der Studie lässt sich die Gabe von Breitbandantibiotika bei Patienten mit einem bakteriellen PCR-Test um 45 Prozent verkürzen; dann können Sie auf zielgerichtete Antibiotika umsteigen. Dies reduziert das Risiko von Resistenzen und Nebenwirkungen. Gleichzeitig können nützliche Bakterien, wie Darmbakterien, geschont werden.