Um die Erreger abzutöten, ist eine Denaturierung der Proteine notwendig. Dies gelingt beispielsweise mit Hitze durch Lichteinwirkung. Dazu sind Substanzen erforderlich, die als „Wandler“ das Licht effektiv in Wärme umwandeln. Die bisher entwickelten photothermischen Wandler binden unspezifisch über elektrostatische Wechselwirkungen an Bakterien, diese konnten dadurch nicht spezifisch inhibiert werden. Dies war ein großer Nachteil, da der größte Teil der Bakterien nicht pathogen und für den Menschen von Nutzen ist.

Die Wissenschaftler um Professor Dr. Xi Zhang und Dr. Jiang-Fei Xu von der Tsinghua University und der Chinese Academy of Sciences haben nun einen photothermischen Wandler entwickelt, der erst von fakultativ anaeroben Bakterien wie Escherichia coli aktiviert wird. Andere Bakterien-Typen können dies nicht und bleiben verschont. Die Studienergebnisse wurden im Fachjournal „Angewandte Chemie“ veröffentlicht.

Der neu synthethisierte supramolekulare Komplex besteht aus drei Molekülen. Das Perylen-Diimid-Derivat ist stäbchenförmig und befindet sich im Mittelteil. Die beiden Enden befinden sich im Hohlraum kürbisförmiger Makrozyklen, sogenannte Cucurbiturile. Das sind Makromoleküle, die sich aus mehreren Glycoluril-Einheiten zusammensetzen und andere Moleküle in ihrem chemisch inertem Hohlraum binden können. Sie verhindern, dass sich die Stäbchen unspezifisch in bakterielle Membranen einlagern und verklumpen.

Perylen-Diimide können mithilfe von Reagenzien zu Radikal-Anionen reduziert werden. E.coli-Bakterien haben auch diese Fähigkeit. Die Reduktion führt zu einer Veränderung der optischen Eigenschaft: Das Anion kann nun NIR-Licht absorbieren und die aufgenommene Energie in Form von Wärme wieder abgeben. Die Umgebungstemperatur der Kolibakterien erhöht sich, dadurch sterben sie ab.

Andere aerobe Bakterien wie Bacillus subtilis werden dagegen nicht überhitzt, da sie den supramolekularen Komplex nicht aktivieren. Vermutlich fehlen diesen Erregern Hydrogenasen und enzymatische Protonen-Transporter, die für die Reduktion und damit für die Aktivierung verantwortlich sind. Denn diese Proteine kommen in größerer Menge nur in der Membran anaerober und fakultativ anaerober Bakterien vor.

Den Forschern zufolge könnten photothermische Therapien ein neuer Ansatz zur Behandlung von bakteriellen Infektionen sei. Weiterhin sei die Entwicklung einer darmregulierenden Therapie denkbar.