Bakterie-dræbende nano-øvelser får en opgradering:Synligt lys udløser molekylære maskiner til at behandle infektioner

Molekylære maskiner, der dræber smitsomme bakterier, er blevet lært at se deres mission i et nyt lys.

Den seneste iteration af øvelser i nanoskala, der er udviklet ved Rice University, aktiveres af synligt lys i stedet for ultraviolet (UV), som i tidligere versioner. Disse har også vist sig effektive til at dræbe bakterier gennem tests på rigtige infektioner.

Seks varianter af molekylære maskiner blev testet med succes af Rice-kemikeren James Tour og hans team. Alle slog de huller i membranerne på gram-negative og gram-positive bakterier på så lidt som to minutter. Modstand var forgæves for bakterier, der ikke har noget naturligt forsvar mod mekaniske angribere. Det betyder, at de sandsynligvis ikke udvikler resistens, hvilket potentielt tilbyder en strategi til at besejre bakterier, der er blevet immune over for standard antibakterielle behandlinger over tid.

"Jeg fortæller eleverne, at når de er på min alder, vil antibiotika-resistente bakterier få COVID til at ligne en tur i parken," sagde Tour. "Antibiotika vil ikke være i stand til at holde 10 millioner mennesker om året fra at dø af bakterielle infektioner. Men dette stopper dem virkelig."

Gennembrudsundersøgelsen ledet af Tour og Rice alumni Ana Santos og Dongdong Liu vises i Science Advances .

Fordi forlænget eksponering for UV kan være skadelig for mennesker, har Rice lab forfinet sine molekyler i årevis. Den nye version får sin energi fra stadig blåligt lys ved 405 nanometer, der roterer molekylernes rotorer med 2 til 3 millioner gange i sekundet.

Det er blevet foreslået af andre forskere, at lys ved den bølgelængde har sine egne milde antibakterielle egenskaber, men tilføjelsen af ​​molekylære maskiner forstærker det, sagde Tour, der foreslog, at bakterielle infektioner som dem, der lider af forbrændingsofre og mennesker med koldbrand, vil være tidlige mål.

Maskinerne er baseret på Nobelprisvindende arbejde af Bernard Feringa, som udviklede det første molekyle med en rotor i 1999 og fik rotoren til at dreje pålideligt i én retning. Tour og hans team introducerede deres avancerede øvelser i en 2017 Nature papir.

Rislaboratoriets første test af de nye molekyler på brandsårinfektionsmodeller bekræftede deres evne til hurtigt at dræbe bakterier, herunder methicillin-resistente Staphylococcus aureus, en almindelig årsag til hud- og bløddelsinfektioner, der var ansvarlig for mere end 100.000 dødsfald i 2019.

Holdet opnåede aktivering af synligt lys ved at tilføje en nitrogengruppe. "Molekylerne blev yderligere modificeret med forskellige aminer i enten stator (stationær) eller rotordel af molekylet for at fremme sammenhængen mellem maskinernes protonerede aminer og den negativt ladede bakteriemembran," sagde Liu, nu videnskabsmand ved Arcus Biovidenskab i Californien.

Forskerne fandt også ud af, at maskinerne effektivt nedbryder biofilm og persisterceller, som bliver i dvale for at undgå antibakterielle lægemidler.

"Selv hvis et antibiotikum dræber det meste af en koloni, er der ofte et par persisterceller, der af en eller anden grund ikke dør," sagde Tour. "Men det betyder ikke noget for øvelserne."

Som med tidligere versioner lover de nye maskiner også at genoplive antibakterielle lægemidler, der anses for ineffektive. "At bore gennem mikroorganismernes membraner gør det muligt for ellers ineffektive lægemidler at trænge ind i cellerne og overvinde insektens iboende eller erhvervede resistens over for antibiotika," sagde Santos, der er på tredje år af det postdoktorale globale stipendium, der bragte hende til Rice i to år og fortsætter ved Health Research Institute of the Balearic Islands i Palma, Spanien.

Laboratoriet arbejder hen imod bedre målretning af bakterier for at minimere skader på pattedyrsceller ved at forbinde bakteriespecifikke peptidmærker til øvelserne for at lede dem mod patogener af interesse. "Men selv uden det kan peptidet påføres et sted med bakteriekoncentration, som i et område med forbrændingssår," sagde Santos.

Medforfattere er Rice-alumner Anna Reed og John Li, senior Aaron Wyderka, kandidatstuderende Alexis van Venrooy og Jacob Beckham, forsker Victor Li, postdoc-alumner Mikita Misiura og Olga Samoylova, forsker Ciceron Ayala-Orozco, lektor Lawrence Alemany og Anatoly , en professor i kemi; Antonio Oliver fra Health Research Institute of the Balearic Islands and the Son Espases University Hospital, Palma, Spanien; og George Tegos fra Tower Health, Reading, Pennsylvania. Tour er T.T. og W.F. Chao professor i kemi og professor i materialevidenskab og nanoteknik. + Udforsk yderligere

Dødelige 'superbugs' ødelagt af molekylære øvelser