Leviathan polymer børste lavet med E. coli holder bakterier i skak

Et laboratorie-fjol med et enzym taget fra bakterier har ført til skabelsen af ​​Leviathan af polymerbørster, nye biokompatible materialer med potentiale til at frastøde smitsomme bakterier.

Polymerbørster er overflader, der normalt er dækket med nanoskala børster lavet af polymerer, spaghetti-lignende molekylære kæder, der syntetiseres kemisk. Men i en ny undersøgelse, et hold ledet af forskere ved Georgia Institute of Technology faldt over en biologisk teknik til at forbedre børsterne ved at dyrke børsterne til giganter 100 gange den sædvanlige længde.

"Vi satte enzymet på en overflade for at observere det til et helt andet eksperiment, men vi lægger for meget på overfladen for tæt, og – bom – vi endte med den tykkeste, længste polymerbørste vi nogensinde har set eller hørt om, " sagde Jennifer Curtis, der ledede undersøgelsen og er lektor ved Georgia Tech's School of Physics. "De var så store, at du faktisk kunne se dem under et optisk mikroskop i stedet for at skulle føle dem med et atomkraftmikroskop eller bruge andre metoder, der er nødvendige for mere almindelige polymerbørster."

Forskerne afledte opmærksomheden fra det originale studie for at forfølge den vildt store nye børste.

Til bakterier, der trænger ind på dem, børstens børster er praktisk talt uigennemtrængelige, squishy krat, der holder mikrober ude i laboratorieobservationer. Det hæmmer spredningen af ​​biofilm, bakteriekolonier, der går sammen og danner et sejt materiale, der gør det svært at dræbe bakterierne.

Biofilm bolværk

"Det menneskelige immunsystem har det svært med biofilm. Antibiotika virker heller ikke særlig godt på dem. I vandfiltrering, biofilm kan holde fast, også. Hvis du har en hyaluronan børste på en overflade, en biofilm kan ikke klæbe til det, " sagde Curtis.

Hyaluronan, forbindelsen i børstehårene, er et polysaccharid, en kæde af sukkermolekyler, og er naturligt udbredt i og omkring vores celler. Det er også kendt af mange fra dets brug i kosmetiske fugtighedscreme.

Enzymet, der laver hyaluronan-børsterne på børsten, er hyaluronansyntase, og det omgår mere kedelig kemisk syntese ved ubesværet at ekstrudere ekstremt lange børster. Enzymerne kan også erstatte børster, når de brækker af, noget kemisk syntetiserede børster ikke kan, hvilket begrænser disse børsters holdbarhed. Stadig, brugen af ​​syntasen er uortodoks.

"Børste folk siger, 'Hvad laver disse enzymer her?' fordi de leder efter kemi, og biologer spekulerer på, hvad børsten har med biologi at gøre, " sagde Curtis.

Holdet offentliggjorde den nye undersøgelse, Selvregenererende gigantiske hyaluronan polymer børster, i journalen Naturkommunikation i december 2019. Forskningen blev finansieret af National Science Foundation.

Konstrueret E coli

Forskerne konstruerede bakterier til at producere enzymet i overflod ved at indsætte hyaluronansyntasegener fra bakterien Streptococcus equisimilis i E coli så høstede de enzymet.

"Vi knuste bakterierne til en flok ikke-levende klistrede fragmenter og klæbte derefter deres membran til overflader, og syntasen ekstruderede børsterne, " sagde Curtis.

Enzymerne kan tændes og slukkes, og justering af saltkoncentration eller pH i opløsningen omkring børsterne får børsterne til at strække sig til en lige form eller krølle sammen til en tilbagetrukket form. Funktionelle tilsætningsstoffer som antibakterielle midler kan indlejres i børster.

Noget som et kateter kunne tænkes en dag at blive belagt med børster for at forblive bakteriefrit, og tykkelsen af ​​de vridende børster vil også fungere som et smøremiddel ved at forhindre friktiv kontakt med overfladen under dem. Nogle menneskelige celler, der er nøglen til helingsprocessen, er faktisk i stand til at synke gennem børsterne, som kunne have potentiale for medicin.

"For et kronisk sår, der ikke vil hele, du kan muligvis designe en bandage, der tilskynder til ny cellevækst, men holder bakterier ude, " sagde Curtis.

Biofysisk forskning

Forskernes tilfældige omvej ind i den gigantiske børste har udvidet mulighederne for deres oprindelige hensigt med at studere enzymatisk hyaluronan isoleret.

"Vi beskæftiger os konstant med koblingen af ​​biokemi, kemisk signalering, og mekanik, så det er virkelig nyttigt at have noget, der isolerer mekanikken fra signaleringen, så vi kun kan fokusere på mekanikken. " sagde Curtis.