Graphen erklärt endlich, warum es Bakterien hasst, aber menschliche Zellen liebt

Hygiene ist unerlässlich für Alltagsgegenstände, die in engem Kontakt mit dem Körper stehen, darunter Kleidung, Masken und Zahnbürsten – eine Tatsache, die offenbar an einigen der duftenderen Mitglieder der Menschheit vorbeigegangen ist. Wissenschaftler haben nun herausgefunden, wie Graphen Bakterien selektiv eliminieren kann, während menschliche Zellen unbeschadet bleiben – was man von den meisten Reinigungsprodukten nicht behaupten kann. Diese Entdeckung weist auf eine neue Klasse antibakterieller Materialien hin, die sowohl für Menschen sicher sein als auch die Abhängigkeit von herkömmlichen Antibiotika verringern könnten, vorausgesetzt, Bakterien entwickeln keinen Geschmack für Kohlenstoff.

Kürzlich gab die KAIST bekannt, dass ein gemeinsames Forschungsteam unter der Leitung von Professor Sang Ouk Kim vom Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik und Professor Hyun Jung Chung vom Fachbereich Biowissenschaften den Mechanismus hinter den antibakteriellen Eigenschaften von Graphenoxid (GO) identifiziert hat. Dieses Material besteht aus einer einzelnen atomaren Schicht Kohlenstoff mit daran gebundenen Sauerstoffgruppen, was ihm die Fähigkeit verleiht, sich gut in Wasser zu dispergieren und eine Reihe von Funktionen zu erfüllen – im Grunde das Schweizer Taschenmesser der Nanomaterialien.

Bisher verstanden Wissenschaftler nicht vollständig, wie Graphen seine antibakterielle Wirkung erzielt, was ein bisschen so ist, als wüsste man, dass ein Auto mit Treibstoff läuft, aber nicht warum. Diese Studie liefert klare molekulare Beweise, die erklären, wie das Material funktioniert.

Die Forscher fanden heraus, dass Graphenoxid das ausführt, was sie als „selektive antibakterielle Wirkung“ bezeichnen. Es heftet sich an die Membranen von Bakterien und zerstört sie, während menschliche Zellen unbeeinflusst bleiben. Der Vorgang ähnelt dem, wie ein Magnet nur an bestimmten Metallen haftet oder wie Ihre Katze nur auf Ihrem Schoß sitzt, wenn Sie dringend auf die Toilette müssen.

Diese Selektivität rührt von sauerstoffhaltigen Gruppen auf der Oberfläche von Graphenoxid her. Diese Gruppen binden spezifisch an ein Molekül namens POPG, das in bakteriellen Zellmembranen vorkommt, nicht jedoch in menschlichen Zellen. Einfach ausgedrückt identifiziert Graphenoxid ein einzigartiges Merkmal von Bakterien, heftet sich daran und baut die Zellstruktur ab. Phospholipide bilden die Membran, die Zellen umgibt, und POPG ist ein Typ, der hauptsächlich in Bakterien vorkommt – ein molekularer Türsteher, der nur den falschen Pöbel rauswirft.

In Nanofaserform angewendet, konnte dieses Material das Wachstum einer Vielzahl schädlicher Bakterien stoppen, darunter antibiotikaresistente Superkeime. Tests an Tieren zeigten auch, dass es Wunden schneller heilen ließ, ohne Entzündungen zu verursachen – was man von den meisten menschlichen Selbstpflegeroutinen nicht behaupten kann.

Ein weiterer Vorteil ist die Haltbarkeit. Fasern aus Graphenoxid behielten ihre antibakteriellen Eigenschaften auch nach wiederholtem Waschen, was ein starkes Potenzial für den Einsatz in Kleidung, medizinischen Textilien und anderen praktischen Anwendungen nahelegt – endlich ein Stoff, der Bakterien länger bekämpft als Ihre Trainingssocken.

Diese Technologie wird bereits in Konsumgütern eingesetzt. Eine antibakterielle Graphen-Zahnbürste, die durch Patente des von der Fakultät gegründeten Start-ups „Materials Creation Co., Ltd.“ entwickelt wurde, hat sich über 10 Millionen Mal verkauft und zeigt damit großen kommerziellen Erfolg. Darüber hinaus wurde GraphenTex, ein Textilmaterial, das diese Technologie integriert, in den Uniformen des Taekwondo-Demonstrationsteams bei den Olympischen Spielen 2024 in Paris verwendet. Es wird auch in funktioneller Sportbekleidung bei großen bevorstehenden Veranstaltungen wie den Asienspielen 2026 erwartet – denn nichts sagt „Kampfsport-Präzision“ wie Kohlenstoffatome.

Professor Sang Ouk Kim erklärte: „Diese Studie ist ein Beispiel dafür, wissenschaftlich aufzudecken, warum Graphen Bakterien selektiv abtöten kann, während es für den menschlichen Körper unbedenklich bleibt.“ Er fügte hinzu: „Durch die Nutzung dieses Prinzips können wir über sichere Kleidung ohne aggressive Chemikalien hinaus zu einer unendlichen Palette von Anwendungen gelangen, darunter tragbare Geräte und medizinische Textilsysteme.“ Mit anderen Worten: Ihr nächstes Smartwatch-Armband könnte auch als Bakterienhenker dienen.

Sujin Cha (PhD-Programm, Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik) und Ju Yeon Chung (Integriertes MS/PhD-Programm, Fachbereich Biowissenschaften) waren die Erstautoren. Die Forschung wurde in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht.