Forskare från universitetet i Groningen har lyckats införliva en ljusstyrd omkopplare i en molekyl som används av bakterier för kvorumavkänning – en process genom vilken bakterier kommunicerar och därefter kontrollerar cellulära processer. Med den beskrivna molekylen, det är möjligt att antingen hämma eller stimulera kommunikation. Detta gör det till ett mycket användbart verktyg för vidare forskning om bakteriell kommunikation och dess inverkan på olika genetiska vägar. Resultaten publicerades den 15 april i tidskriften Chem .

För att reagera på sin omgivning, bakterier kommunicerar genom en form av kemisk signalering som kallas quorum sensing. Cellerna utsöndrar en signalmolekyl och samtidigt övervaka dess koncentration. När fler celler utsöndrar signalmolekylen, det kan överskrida en tröskelkoncentration och aktivera vissa genetiska vägar, till exempel, att producera gifter eller bilda en skyddande biofilm.

Ljuskänslig strömbrytare

"Om vi ​​skulle kunna påverka kvorumavkänningen, vi kanske kan använda det för att behandla allvarliga infektioner, ", säger den organiska kemisten Mickel Hansen vid universitetet i Groningen. "Och det skulle också vara användbart att undersöka hur kvorumavkänning exakt fungerar." För att göra detta, det skulle vara användbart att ha en modulator för kvorumavkänning som kan styras externt. Det är därför Hansen och kollegor i gruppen för syntetisk organisk kemi ledd av professor Ben Feringa satte sig för att bygga en ljuskänslig switch till en molekyl som används av bakterier som en signal för kvorumavkänning.

Molekylen består av ett huvud och en flexibel kolbaserad svans kopplade via en β-keto-amidlinker. Planen var att införliva en switch i svansen. "Detta innebar att vi var tvungna att koppla den modifierade svansen till huvudet via β-keto-amidlänkning. den syntetiska processen för att erhålla denna koppling producerar en mycket instabil mellanprodukt, vilket gjorde det nästan omöjligt att syntetisera molekylen."

Bibliotek

Bygger på den omfattande erfarenheten från gruppen för syntetisk organisk kemi vid Stratingh Institute of Chemistry vid universitetet i Groningen, forskarna kom på en lösning i form av en ny kopplingsreaktion med en stabiliserad mellanprodukt. Med hjälp av denna mellanprodukt, de kunde syntetisera fotoväxlingsbara derivat på ett snabbt och enkelt sätt.

Hansen, tillsammans med masterstudent Jacques Hille, producerade ett bibliotek med 16 föreningar som hade potential att fungera som agonister eller antagonister för kvorumavkänning. Alla var försedda med en ljusmanövrerad strömbrytare. Alla föreningar var baserade på en molekyl som används i ett särskilt kvorumavkänningssystem i Pseudomonas aeruginosa, som har ungefär fem av dessa kvorumavkänningssystem. I samarbete med molekylärbiologer från labbet av professor i molekylär mikrobiologi Arnold Driessen, även vid universitetet i Groningen, generna för ett av dessa system överfördes till en E. coli-reporterstam, tillåter att alla effekter av de nysyntetiserade föreningarna testas utan inblandning av andra kvorumavkänningsmekanismer.

Toxinproduktion

Bioaktivitetstester på de erhållna föreningarna visade vilka delar av molekylen som var avgörande för att kontrollera kvorumavkänningen. Det optimala antalet kolatomer som utgör svansen verkade vara fyra. Att vrida strömbrytaren med ljus fick svansen att böjas. Anmärkningsvärt, den raka svansen hade ingen effekt, medan den böjda svansen inducerade kvorumavkänningssignalen. Hansen:"Sammantaget, det verkar som om små förändringar i molekylen kan ha stor effekt på dess aktivitet, men vi vet ännu inte exakt varför."

De hittade en förening som starkt kunde hämma kvorumavkänningssignalen och – efter bestrålning med ljus, leder till att svansen böjs — för att också starkt stimulera den. Skillnaden i aktivitet var mer än 700-faldig, vilket är enormt. "En så stor skillnad har, så vitt vi vet, aldrig visats tidigare för ljuskopplade bioaktiva molekyler."

Denna speciella molekyl kommer att vara ett mycket användbart verktyg för att undersöka hur bakterier kommunicerar. "I studien, vi visade att vi kunde ljusstyra toxinproduktionen i en Pseudomonas-stam med vår omkopplingsbara modulator. Detta kommer att vara ett kraftfullt verktyg för både klinisk och grundläggande forskning om mekanismen för kvorumavkänning."