I ett betydande genombrott i kampen mot antibiotikaresistens, ett forskarlag från Indian Institute of Science (IISc) har syntetiserat ett nanomaterial som efterliknar ett enzym och kan sönderdela cellmembranen hos en rad sjukdomsframkallande bakterier. Studien, publiceras i tidskriften ACS Applied Bio Materials, är ett samarbete mellan forskare från Institutionen för oorganisk och fysikalisk kemi (IPC) och Institutionen för mikrobiologi och cellbiologi (MCB).

Upptäckten av antibiotika revolutionerade medicinområdet. På 1960-talet, många hälsoexperter trodde till och med att kampen mot infektionssjukdomar var i sitt slutskede. Dock, De senaste decennierna har sett en ny utmaning – utvecklingen av resistens mot antibiotika hos patogena bakterier.

Antibiotika fungerar vanligtvis genom att störa bakteriens cellulära aktiviteter. Under många generationer, till stor del tack vare missbruk och överanvändning av antibiotika, flera bakterier har utvecklat resistens mot antibiotika genom att producera sina egna enzymer som riktar sig mot läkemedlen.

Alla organismers cellmembran, inklusive bakterier, har två lager av lipider som innehåller fosfatmolekyler. "Fosfolipid är en viktig komponent i cellmembranet, " förklarar Kapudeep Karmakar, en före detta Ph.D. student vid MCB och den gemensamma första författaren på detta papper tillsammans med Kritika Khulbe, tidigare Ph.D. Student på IPC. Därför, forskarna bestämde sig för att rikta in sig på dessa fosfolipider med hjälp av nanomaterial som skulle bryta de bindningar som håller ihop membranets dubbelskikt. Dessa nanomaterial är kända som nanozymer. Enligt författarna, eftersom nanozymen direkt riktar sig mot fosfolipidernas kemiska integritet för att förstöra cellmembranet, bakterier är mindre benägna att kunna utveckla resistens mot dem.

För att utveckla denna nya förening, teamet syntetiserade ett ceriumoxidbaserat nanozym med hjälp av vad som kallas en kemisk samfällningsmetod. I nästa steg, de utförde en reaktion mellan ceriumoxid och natriumpolyakrylat i en basisk lösning för att belägga nanopartiklarna med polymerer. Polymerbeläggningen tillåter nanozymet att spridas på vilken yta eller material som helst och ökar dess aktivitet.

Nanomaterialet testades sedan i labbet på flera potentiellt patogena bakterier som t.ex Salmonella Typhi, Shigella flexneri , Escherichia coli , Vibrio cholerae och Klebsiella pneumoniae , som orsakar tyfus, gastroenterit, dysenteri, kolera respektive lunginflammation. Vad teamet fann var att nanozymet stoppade deras tillväxt och därefter hämmade bildandet av biofilm - en tätt packad gemenskap av bakterier.

"De flesta antibiotika kan inte tränga igenom biofilmer. Våra nanomaterial kunde penetrera även en 10-dagars gammal, välutvecklad biofilm och visade antibakteriell aktivitet inuti biofilmen på grund av sin lilla storlek, säger Khulbe.

Forskarna testade också nanozymet på urinkatetrar. Dessa medicinska produkter är känsliga för bildandet av patogen biofilm på deras ytor, leder till infektioner hos patienter. I en laboratoriemiljö, teamet fann att den bakteriella vidhäftningen till kateterytan avsevärt minskar vid behandling med nanozymet. Eftersom nanozymet inte skiljer mellan mänskliga och mikrobiella celler, forskarna belade strategiskt endast den inre ytan av katetern för att döda mikroberna. För att kunna använda deras nanomaterial i andra medicinska produkter, mer forskning skulle krävas för att säkerställa att det inte finns någon kontakt mellan mänskliga celler och nanozymer.