Den föreslagna polymeren, med ryggraden i blått, skapar regioner med en hög lokal täthet av kopparsidoenheter (hängen). Detta hjälper till att reducera Cu(II) till Cu(I), det svåraste steget i redoxreaktionen som visas, för att slutligen producera fler hydroxylradikaler (-OH). Kredit:biträdande professor Shigehito Osawa
Upptäckten av antibiotika var ett stort genombrott inom medicinen, som hjälpte till att rädda otaliga liv. Tyvärr, deras utbredda användning har lett till den snabba utvecklingen av mycket resistenta bakteriestammar, som hotar att ta mänskligheten tillbaka till ruta ett i kampen mot infektionssjukdomar. Även om forskare letar efter nya designkoncept för antibakteriella läkemedel, den övergripande utvecklingen av nya agenter är för närvarande på nedgång.
För att ta itu med detta allvarliga problem, forskare vid Tokyo University of Science, Japan, undersöker ett nytt tillvägagångssätt för att öka den antibakteriella aktiviteten in vivo av väteperoxid (H 2 O 2 ), ett vanligt desinfektionsmedel. I en nyligen publicerad studie publicerad i Makromolekylär snabb kommunikation , ett team ledd av biträdande professor Shigehito Osawa och professor Hidenori Otsuka rapporterade sina framgångar med att förbättra H 2 O 2 verksamhet med noggrant skräddarsydda kopparhaltiga polymerer.
För att förstå deras tillvägagångssätt, det hjälper att veta hur H 2 O 2 verkar mot bakterier i första hand, och vilken roll koppar spelar. H 2 O 2 kan sönderdelas till en hydroxylradikal (OH) och en hydroxidanjon (OH−), den förra är mycket giftig för bakterier eftersom den lätt förstör vissa biomolekyler. Koppar i sitt första oxidationstillstånd, Cu(I), kan katalysera splittringen av H 2 O 2 till en hydroxylradikal och en hydroxidanjon, omvandlas till Cu(II) i processen genom oxidation. Nyfiket, H 2 O 2 kan också katalysera reduktionen av Cu(II) till Cu(I), men bara om denna reaktion på något sätt underlättas. Ett sätt att uppnå detta är att få Cu(II)-innehållande komplex att komma tillräckligt nära varandra.
Dock, när man använder Cu(II)-innehållande komplex lösta i en lösning, det enda sättet för dem att komma nära varandra är genom att råka stöta på varandra, vilket kräver en alltför hög koncentration av koppar. Teamet hittade en lösning på problemet genom att hämta inspiration från cellkemi, som Dr. Osawa förklarar:"I levande organismer, koppar bildar komplex med proteiner för att effektivt katalysera redoxreaktioner. Till exempel, tyrosinas har två kopparkomplexplatser i nära anslutning till varandra, vilket underlättar bildningen av reaktionsmellanprodukter mellan syrearter och kopparkomplex. Vi trodde att vi kunde utnyttja den här typen av mekanismer i artificiellt framställda polymerer med kopparkomplex, även om den är spridd i en lösning."
Med denna idé, forskarna utvecklade en lång polymerkedja med dipicolylamin (DPA) som kopparinnehållande komplex. Dessa DPA-kopparkomplex fästes till den långa polymerryggraden som "hängande grupper". När dessa polymerer är dispergerade i en lösning, Cu(II)-atomerna i de hängande grupperna hålls i omedelbar närhet och lokalt höga densiteter, avsevärt ökar chanserna att två av dem kommer att vara tillräckligt nära för att reduceras till Cu(I) av H 2 O 2 . Genom olika experiment, forskarna visade att användningen av dessa skräddarsydda polymerer resulterade i högre katalytisk aktivitet för klyvning av H 2 O 2 , vilket resulterar i mer OH även för lägre koncentrationer av koppar. Ytterligare tester med Escherichia coli-kulturer visade att dessa polymerer avsevärt förbättrade den antibakteriella potentialen hos H 2 O 2 .
Medan resultaten av denna studie öppnar upp en ny designväg för antimikrobiella läkemedel, Det kan också finnas användbara tillämpningar inom livsmedelsindustrin. "Eftersom koppar är ett viktigt näringsämne för levande organismer, det antibakteriella medlet som utvecklats i denna studie lovar som ett effektivt livsmedelskonserveringsmedel, som skulle kunna bidra till att öka mängden livsmedel som kan konserveras under långa lagringstider, " framhåller Dr. Osawa. Låt oss hoppas att denna nya strategi gör det lättare för oss att hålla mikroskopiska hot på avstånd.
