Ny højhastighedstest viser, hvordan antibiotika kombineres for at dræbe bakterier

På disse ultrahurtige tidsskalaer observerede holdet, at stofferne skabte mikroskopiske porer i bakteriens beskyttende ydre lag, hvilket fik indholdet til at lække ud og cellen til at dø.

Eksperimenterne er nogle af de første af deres slags, og resultaterne kan bane vejen for at designe mere effektive antibiotika, der målretter mod bakteriemembranen mere specifikt.

Forskningen er publiceret i tidsskriftet ACS Central Science.

Hvordan virker antibiotika?

En måde, hvorpå antibiotika dræber bakterier, er ved at målrette og beskadige integriteten af ​​den bakterielle ydre membran, der består af et fosfolipid-dobbeltlag.

Det er to lag af fedtmolekyler (phospholipider), der danner en barriere omkring alle bakterieceller. Dobbeltlaget er en dynamisk og kompleks struktur, der har unikke fysiske egenskaber, såsom dets flydendehed, der afhænger af typen og antallet af lipider i membranen.

Membranafbrydelse er en førende årsag til bakteriel død, men hvordan det præcist sker, er ikke blevet fuldt ud forstået, hovedsagelig fordi disse hændelser sker på usædvanligt korte tidsskalaer.

Den nuværende undersøgelse adresserer dette vidensgab ved at kombinere eksperimenter med beregningssimuleringer for at undersøge de indledende processer involveret i membranskader.

At fange det usete

Et hold ledet af forskere fra Oxford University og University of California, San Diego, brugte high-speed atomic force microscopy (HS-AFM) til at se et membranforstyrrende antibiotikum interagere med en bakteriel membran i næsten realtid.

Højhastighedsinstrumentet registrerer interaktionerne mellem en oscillerende nanoskalaspids og et blødt materiale med en hastighed på næsten 770.000 billeder i sekundet, hvilket afslører detaljer, der ikke kan ses ved hjælp af konventionelle billeddannelsesmetoder.

Holdet brugte instrumentets unikke egenskaber til at fange de begivenheder, der sker i mikrosekunder til millisekunders tidsskalaer, efter at et antibiotikum kommer i kontakt med bakteriemembranen, hvilket giver dem mulighed for at observere selve begyndelsen af ​​celledødsprocessen.

Professor Aleksander Bublitz fra Oxfords Institut for Kemi sagde:'Det er utroligt svært at afbilde hurtige processer i så små længdeskalaer, men ved at kombinere dette værktøj med beregningssimuleringer kan vi begynde at forstå, hvordan antibiotika får membraner til at nedbrydes. Vi kan så bruge den information til at designe bedre lægemidler, der specifikt retter sig mod bakteriemembranerne og forstyrrer dem mere effektivt.'

Ny indsigt

Forskningen afslører for første gang den afgørende rolle, som den bakterielle membranfluiditet og den antibiotiske molekylebindingsdynamik spiller i den poredannende proces.

Ved at efterligne systemet med computersimuleringer var forskerne i stand til at se, hvordan antibiotikaen virker på atomniveau.

Simuleringerne gjorde det muligt for dem at identificere bestemte membranlipider og specifikke antibiotika-membran-interaktioner, der er kritiske for poredannelsesprocessen.

Denne information kan bruges til at udvikle mere effektive lægemidler ved at udvikle specifikke molekyler, der målretter mod de identificerede lipider eller antibiotikabindingssteder.