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Lichtaktivierte Kristalle zersetzen DNA-ähnliche Moleküle im Wasser
Antibiotikaresistente Bakterien können nach einer Desinfektion genetisches Material im Wasser hinterlassen, das von anderen Mikroorganismen aufgenommen werden könnte. Ein neues Verfahren mit Titandioxid-Kristallen zerlegt im Labor DNA-ähnliche Moleküle vollständig. Dafür wandeln gezielt erzeugte Kristalldefekte gewöhnlichen Sauerstoff unter Lichteinwirkung in besonders reaktiven Singulett-Sauerstoff um.
Yinchuan (China). Selbst wenn eine Wasserbehandlung Bakterien abtötet, kann freigesetztes Erbgut im Wasser zurückbleiben. Solche extrazellulären DNA-Fragmente sind problematisch, weil andere Mikroorganismen sie aufnehmen und dadurch möglicherweise Resistenzmerkmale weiterverbreiten können. Die neue Arbeit setzt deshalb nicht nur bei den Bakterien selbst an, sondern beim genetischen Material, das nach einer Desinfektion im Wasser verbleiben kann.
„Das Fortbestehen dieses genetischen Materials ist ein Umweltproblem, weil extrazelluläre DNA von anderen Mikroorganismen aufgenommen werden kann und dadurch möglicherweise zur Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen beiträgt“, sagt Boxia Liu von der North Minzu University.
Dazu hat das Team Titandioxid-Kristalle so gestaltet, dass ihre Oberflächen gezielt Sauerstofflücken enthalten. Diese Defekte sind keine bloßen Fehlstellen. Unter Lichteinwirkung können an ihnen gewöhnliche Sauerstoffmoleküle aus dem Wasser reagieren. Der Katalysator beschleunigt dabei eine Reaktionsfolge, durch die der verbreitete Triplett-Sauerstoff in den deutlich reaktiveren Singulett-Sauerstoff übergeht.
Die Forscher wollen damit eine Eigenschaft von Defekten nutzen, die in vielen Materialien sonst eher als störend gilt. In diesem Fall bestimmen die Fehlstellen, wie Sauerstoff an der Oberfläche gebunden und aktiviert wird. Dadurch lässt sich die Reaktion gezielt in eine nicht radikalische Oxidationsroute lenken, die den gelösten Sauerstoff selbst als Ausgangsstoff nutzt.
„Katalysatordefekte sollten nicht einfach als Unvollkommenheiten in der Struktur eines Materials betrachtet werden. Wenn sie gezielt konstruiert werden, können Defekte aktiv steuern, wie Moleküle mit Katalysatoroberflächen wechselwirken und welche Wege chemische Reaktionen nehmen“, erklärt Zhi Song von der North Minzu University.
Singulett-Sauerstoff nimmt besonders leicht Elektronen aus seiner Umgebung auf. Dadurch reagiert er bevorzugt mit elektronenreichen Molekülen, zu denen auch die Basenpaare der DNA gehören. Trifft der aktivierte Sauerstoff auf solche Moleküle, entzieht er ihnen Elektronen. Diese Oxidation spaltet die betreffenden Strukturen und zerstört damit die darin gespeicherte genetische Information.
In den Experimenten gaben die Wissenschaftler DNA-verwandte Modellmoleküle zusammen mit den Titandioxid-Katalysatoren in Wasser. Unter Lichteinwirkung wurden diese Moleküle vollständig abgebaut. Damit zeigt die Studie zunächst im Labormaßstab, dass sich genetisches Material mit der gezielt aktivierten Sauerstoffform chemisch angreifen lässt.
Ein möglicher Vorteil des Ansatzes liegt darin, dass der benötigte Sauerstoff bereits in der Umgebung vorhanden ist. Andere Oxidationsverfahren können eine fortlaufende Zugabe chemischer Oxidationsmittel erfordern. Das neue System soll stattdessen den im Wasser verfügbaren Sauerstoff kontrolliert aktivieren, sobald Licht auf die entsprechend präparierten Kristalle trifft.
„Anders als herkömmliche Desinfektionsverfahren, die möglicherweise die fortlaufende Zugabe chemischer Oxidationsmittel erfordern, nutzt dieses System Sauerstoff, der natürlicherweise in der Umwelt verfügbar ist, um Wasser zu desinfizieren“, erklärt Xinjian Shi von der Henan University.