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Biosensoren: Flüssigkristalle machen Bakterien sichtbar

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Flüssigkristalle fließen wie eine Flüssigkeit, doch auf Grund ihrer Form können sich die Moleküle darin in einem regelmäßigen Muster ausrichten und der Substanz die optischen Eigenschaften eines Kristalls verleihen. Zum Einsatz kommen Flüssigkristalle heute vor allem in LCD-Bildschirmen, doch einem Team um Nicholas Abbott von der University of Wisconsin in Madison zufolge könnten sie auch als biologischer Sensor taugen, mit dem sich bereits minimale bakterielle Verunreinigungen in Wasser nachweisen lassen.

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Flüssigkristalltröpfchen in Wasser | In ihren Experimenten stellten Wissenschaftler fest, dass sich die Anordnung der Flüssigkristallmoleküle durch den Einfluss bestimmter Bakterien ändern kann. Die Abbildungen zeigen schematische Darstellungen (A-F), Hellfeldaufnahmen (G-L) sowie lichtmikroskopische Aufnahmen (unter polarisierten Licht, M-R) eines acht Mikrometer großen Tröpfchens, nachdem das Wasser mit einer Endotoxinkonzentration von 50 Mikrogramm pro Milliliter verunreinigt wurde. Zunächst weist das Tröpfchen eine bipolare Konfiguration (A, G, M) auf. Die beiden Punktdefekte verschwinden mit der Zeit und die Anordnung der Moleküle ändert sich, bis das Tröpfchen schließlich über eine radiale Konfiguration verfügt (F, L, R).
In ihren Experimenten stellten die Wissenschaftler fest, dass sich die Ordnung der Flüssigkristallmoleküle durch den Einfluss bestimmter Bakterien ändern kann. Dazu gaben sie zunächst mikrometergroße Flüssigkristalltröpfchen in reines Wasser und dokumentierten die darin eingeschlossenen Fehlstellen – hierin ist die regelmäßige Anordnung der Moleküle lokal gestört. Im nächsten Schritt gaben Abbott und seine Kollegen Endotoxine hinzu, giftige Bestandteile der äußeren Zellmembran zum Beispiel von E. coli und Salmonellen. Daraufhin ordneten sich die Moleküle in den Flüssigkristalltröpfchen um. Vermutlich treten die Endotoxinmoleküle mit den Fehlstellen in Wechselwirkung, spekulieren die Forscher, und rufen so den beobachteten Übergang hervor.

Dem Forscherteam zufolge reicht schon eine Endotoxinkonzentration von einem Pikogramm (10-12 Gramm) pro Milliliter, um die Anordnung in den Flüssigkristalltröpfchen zu ändern. Da sich dieser Wechsel unter einem Mikroskop problemlos nachweisen lässt, eignen sich Flüssigkristalle als sehr empfindliche Sensoren für schädliche Bakterien. (mp)
20. KW 2011

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 20. KW 2011

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