Et nyt våben i kampen mod superbugs

Den stadigt stigende trussel fra "superbugs" - stammer af patogene bakterier, der er uigennemtrængelige for de antibiotika, der underkuede deres forgængere generationer - har tvunget det medicinske samfund til at lede efter bakteriedræbende våben uden for de traditionelle lægemidlers område. En lovende kandidat er det antimikrobielle peptid (AMP), et af Moder Naturs mindre kendte forsvar mod infektioner, der dræber et patogen ved at skabe, derefter udvide, nanometerstore porer i cellemembranen, indtil den brister. Imidlertid, før dette fænomen kan udnyttes som medicinsk terapi, forskere har brug for en bedre forståelse af, hvordan AMP'er og membraner interagerer på molekylært niveau.

Ved hjælp af en ny billedbehandlingsteknik, et forskerhold ledet af Storbritanniens National Physical Laboratory (NPL) hjælper med at opnå tiltrængt indsigt i de grundlæggende fysiske og kemiske processer, der opstår, når AMP'er binder med membraner og danner porer i dem. Teamleder Paulina D. Rakowska vil diskutere de seneste aspekter af dette arbejde under AVS 60th International Symposium &Exhibition, som afholdes 27. okt.-nov. 1, 2013, i Long Beach, Californien

Det er svært at observere dannelsen af ​​porer i levende cellemembraner af naturligt forekommende AMP'er, fordi forskerne ikke har kontrol over trinene i den komplekse proces. I mange tilfælde, membranerne i målcellen lækker, svulme og briste, før de enkelte porer kan udvide sig nok til at blive undersøgt. Rakowska og hendes kolleger har overvundet denne hindring ved at kombinere nanoskala-billeddannelse via to forskellige systemer, computersimulering, en lavet fra bunden (de novo) AMP, og lipid-dobbeltlag fikseret til en fast overflade (kendt som et understøttet lipid-dobbeltlag eller SLB).

Med evnen til specifikt at teste hvor og hvordan de novo peptidet binder til SLB, poredannelsesprocessen åbnes for direkte observation. Atomic force microscopy (AFM) giver topografisk (strukturel) billeddannelse af den peptidbehandlede membran, mens kemisk analyse udføres med højopløsnings nanoskala sekundær ionmassespektroskopi (NanoSIMS).

"Data fra AFM-billederne tyder på, at membraner ændrer sig som et resultat af peptidvirkning og poredannelse, Rakowska siger. "NanoSIMS-billeddannelse udført på de samme prøver afslører den præcise placering af peptidmolekyler i membranerne."

Rakowska siger, at disse observationer giver det første fysiske og visuelle bevis nogensinde for antimikrobiel poreudvidelse fra nano-til-mikrometer skala til punktet for fuldstændig membranopløsning. "Vi kan nu postulere den mekanisme, hvorved dette sker, " forklarer hun. "Vi mener, at de første AMP'er, der binder sig til membranen, aktivt 'rekrutterer' andre til at gøre det samme, resulterer i dannelsen af ​​adskillige små porer. Når disse porer udvides, de fører til sidst til membranopløsning og celledød."

Forskerholdet omfatter forskere fra NPL, London Centre for Nanotechnology, University College London, University of Oxford, University of Edinburgh, Freie University Berlin og IBM. Holdets seneste publikation, "Nanoskala billeddannelse afslører lateralt ekspanderende antimikrobielle porer i lipid-dobbeltlag, " optrådte for nylig i Proceedings of the National Academy of Sciences USA.