Ny nanostrategi bekæmper superbugs

Det er ikke nok at tage antibiotika-resistente bakterier ud af spildevandet for at eliminere de risici, de udgør for samfundet. De stumper, de efterlader, skal også destrueres.

Forskere ved Rice University's Brown School of Engineering har en ny strategi til at "fange og zappe" antibiotika-resistente gener, de stykker af bakterier, der, selvom deres værter er døde, kan finde vej til og booste modstanden af ​​andre bakterier.

Holdet ledet af Rice miljøingeniør Pedro Alvarez bruger molekylært prægede grafitiske carbonnitrid nanoark til at absorbere og nedbryde disse genetiske rester i spildevand fra spildevand, før de har chancen for at invadere og inficere andre bakterier.

Forskerne målrettede mod plasmidkodede antibiotika-resistente gener (ARG), der koder for New Delhi metallo-beta-lactamase 1 (NDM1), kendt for at modstå flere stoffer. Når det blandes i opløsning med ARG'erne og udsættes for ultraviolet lys, de behandlede nanoplader viste sig 37 gange bedre til at ødelægge generne end grafitisk carbonnitrid alene.

Arbejdet udført i regi af det risbaserede Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT) er beskrevet detaljeret i tidsskriftet American Chemical Society Miljøvidenskab og -teknologi .

"Denne undersøgelse adresserer en voksende bekymring, fremkomsten af ​​multidrug-resistente bakterier kendt som superbugs, sagde Alvarez, direktør for NEWT Center. "De forventes at forårsage 10 millioner årlige dødsfald i 2050.

"Som miljøingeniør, Jeg er bekymret for, at noget vandinfrastruktur kan rumme superbugs, " sagde han. "F.eks. et spildevandsrensningsanlæg i Tianjin, som vi har undersøgt, er en yngleplads, udleder fem NDM1-positive stammer for hver, der kommer ind. Beluftningstanken er som et luksushotel, hvor alle bakterier vokser.

"Desværre, nogle superbugs modstår klorering, og resistente bakterier, der dør, frigiver ekstracellulære ARG'er, der stabiliseres af ler i modtagende miljøer og transformerer oprindelige bakterier, bliver resistomreservoirer. Dette understreger behovet for teknologisk innovation, for at forhindre udledning af ekstracellulære ARG'er.

"I denne avis, vi diskuterer en trap-and-zap-strategi til at ødelægge ekstracellulære ARG'er. Vores strategi er at bruge molekylært prægede belægninger, der øger selektiviteten og minimerer interferens fra organiske baggrundsforbindelser."

Molekylær prægning er som at lave en lås, der tiltrækker en nøgle, ikke ulig naturlige enzymer med bindingssteder, der kun passer til molekyler af den rigtige form. Til dette projekt, grafitiske carbonnitridmolekyler er låsen, eller fotokatalysator, tilpasset til at absorbere og derefter ødelægge NDM1.

For at lave katalysatoren, forskerne coated først nanoarkkanterne med en polymer, metakrylsyre, og indlejret guanin. "Guanin er den mest let oxiderede DNA-base, " sagde Alvarez. "Guaninen vaskes derefter med saltsyre, som efterlader sit aftryk. Dette tjener som et selektivt adsorptionssted for miljø-DNA (eDNA)."

Ris kandidatstuderende Danning Zhang, medforfatter af avisen, nævnte carbonnitrid blev valgt til basis nanoarkene, fordi det er ikke-metallisk og dermed sikrere at bruge, og for dens lette tilgængelighed.

Alvarez bemærkede, at alle katalysatorer er effektive til at fjerne ARG'er fra destilleret vand, men ikke nær så effektiv i sekundært spildevand, et produkt fra rensningsanlæg efter at faste stoffer og organiske forbindelser er fjernet.

"I sekundært spildevand, du har reaktive iltopfangere og andre hæmmende forbindelser, " sagde Alvarez. "Denne fælde-og-zap-strategi forbedrer markant fjernelse af eDNA-genet, klart bedre end kommercielle fotokatalysatorer."

Forskerne skrev, at konventionelle desinfektionsprocesser, der anvendes på spildevandsrensningsanlæg, herunder klorering og ultraviolet stråling, er moderat effektive til at fjerne antibiotika-resistente bakterier, men relativt ineffektive til at fjerne ARG'er.

De håber, at deres strategi kan tilpasses i industriel skala.

Zhang sagde, at laboratoriet endnu ikke har kørt omfattende test på andre ARG'er. "Da guanin er en almindelig bestanddel af DNA, og dermed ARG'er, denne tilgang bør også effektivt forringe andre eARG'er, " han sagde.

Der er plads til at forbedre den nuværende proces, trods sin ekstraordinære første succes. "Vi har endnu ikke forsøgt at optimere det fotokatalytiske materiale eller behandlingsprocessen, " sagde Zhang. "Vores mål er at tilbyde proof-of-concept, at molekylær prægning kan øge selektiviteten og effektiviteten af ​​fotokatalytiske processer til at målrette eARG'er."

Qingbin Yuan fra Nanjing Tech University, Kina, er medforfatter på papiret. Medforfattere er Rice kandidatstuderende Ruonan Sun og Hassan Javed, og Gang Wu, en assisterende professor i hæmatologi ved University of Texas Health Science Center ved Houstons McGovern Medical School. Pingfeng Yu, en postdoc forsker ved Rice, er medkorresponderende forfatter. Alvarez er George R. Brown-professor i civil- og miljøteknik og professor i kemi og i kemisk og biomolekylær teknik.