I de ögonblick som ledde fram till överfall av en kort, speciell peptid, bakterierna växer lyckligt, deras DNA vibrerar runt cellen i de halvslumpmässiga rörelserna som är karaktäristiska för livet.

Sekunder senare, jigglet upphör. Livet stannar till.

Cirka 100 miljoner peptider - korta bitar av aminosyror, de grundläggande enheterna av proteiner - med namnet LL-37 har invaderat cellen, var, med starka elektriska laddningar, de har hållit fast vid maskineriet som driver cellen, immobilisera och döda den.

"DNA verkar frysa inom några sekunder, " säger James Weisshaar, professor i kemi vid University of Wisconsin–Madison. "Det är den konstiga händelsen som fick oss att gå."

Nytt arbete från Weisshaars labb antyder en tidigare okänd mekanism bakom funktionen av LL-37 och liknande peptider, som testas i tidiga kliniska prövningar för behandling av infektioner som är resistenta mot klassiska antibiotika. En bättre förståelse för hur antimikrobiella peptider fungerar kan hjälpa forskare att utveckla dem till terapier.

Med hjälp av avancerade mikroskopiska tekniker, Weisshaar och hans doktorander Yanyu Zhu och Soni Mohapatra har dokumenterat stoppkraften hos LL-37, en antimikrobiell peptid tillverkad av det mänskliga immunsystemet som ett förstahandsförsvar mot patogener. LL-37 tillhör en klass av gamla peptider som bekämpar bakterier på ett annat sätt än de flesta andra antibiotika, en som är svår för bakterier att motstå. Men mekanismen bakom verkan av LL-37 och dess anhöriga har varit svår att fastställa.

Skriver i Proceedings of the National Academy of Sciences i januari, Weisshaars grupp avslöjar att när LL-37 väl kommer in i en bakteriecell, det försämrar snabbt den rörelsefrihet som behövs för att DNA och proteiner ska fungera. Forskarna spekulerar i att LL-37:s stora positiva elektriska laddning hjälper den att binda till de överväldigande negativt laddade molekylerna i cellen, göra skadan bestående.

De flesta antibiotika är småmolekylära kemikalier som fungerar genom att störa ett enda protein, som stör patogenens ämnesomsättning. Men LL-37 och relaterade antimikrobiella medel är olika. De är gjorda av aminosyror och är mycket större än andra antibiotika. Och tidigare forskning har föreslagit att de angriper hela cellens integritet, delvis genom att slå hål i cellmembranet, effektivt urtagning av patogenerna.

Nyligen, Weisshaars team studerade LL-37:s effekter på celler med hjälp av en Nobelprisvinnande teknik känd som superupplösningsmikroskopi, som kan spåra enskilda molekyler i en cell. De märkte att inte bara proteinet fick cellens innehåll att läcka ut, men det stoppade den normalt upptagna rörelsen av molekyler inom cellen också.

Forskarna spårade rörelsen av cellernas DNA och ribosomer, molekylära maskiner som översätter instruktionerna från DNA till proteinerna som driver cellen. Båda frös ögonblick efter att LL-37 kom in i cellen. Gummad av LL-37, bakterierna liknade celler fixerade med formaldehyd, en kraftfull och permanent cellulär fryskemikalie.

Ledtrådarna till LL-37:s stoppkraft kom från de elektriska laddningarna som de flesta cellulära molekylerna bar. DNA, ribosomer och många proteiner har stora negativa laddningar.

"Alla dessa negativa proteiner och DNA kan glida förbi varandra, och när de kommer för nära stöter de bort och fortsätter, "säger Weisshaar. Det är en slags elektrisk laddningssmörjning.

I kontrast, LL-37 är starkt positiv. Weisshaar och hans team tror att dessa motsatta laddningar kraftfullt attraherar varandra inuti cellen. Med cirka 100 miljoner exemplar av LL-37 in i varje cell, det är som att kasta miljontals skiftnycklar i livets maskineri. Allt stannar upp.

Går vidare, Weisshaar planerar att testa denna elektriska laddningsidé genom att ändra laddningen på LL-37. Hans grupp kommer också att se om andra antimikrobiella peptider, som finns över livets träd, på samma sätt fryser cellerna i sina spår. Den kunskapen kan hjälpa forskare i deras sökande efter alternativ till klassiska antibiotika eftersom patogener utvecklar resistens mot dem.

"Låt oss lära oss hur naturen gör detta, och kanske kan det hjälpa till att informera om hur man designar något användbart på sjukhuset, säger Weisshaar.