Bakterierna som orsakar shigella-tarmsjukdomen använder ett toxin som utnyttjar en fysisk kraft i cellmembranet. Även om det är svårt att blockera, det är möjligt att slåss med nanopartiklar som utnyttjar samma kraft.

Ett enormt antal sjukdomar är ett resultat av bakterie- och virusinfektioner. Dessa patogener tar sig in i kroppens celler genom flera vägar. En ny studie gemensamt ledd av EPFL rapporterar nu upptäckten av en tidigare okänd infektionsväg som används av bakterierna som orsakar shigellosen, en tarminfektionssjukdom som kännetecknas av blodig diarré. I den nyupptäckta mekanismen, Shigella-bakterien utnyttjar en generisk kraft som skapas av fluktuationerna i cellens eget plasmamembran. Verket publiceras i ACS Nano .

Studien utfördes av John Ipsen vid Syddansk Universitet, Ludger Johannes vid Institut Curie i Frankrike och Julian Shillcock vid EPFL.

I vanliga fall, celler reglerar inträngningen av främmande material mycket hårt, för att förhindra invasioner från patogener som bakterier och virus. Som ett resultat, inkräktarna har utvecklat olika mekanismer för att övervinna barriärerna och komma in i celler.

Till exempel, en väg innebär att kapa cellens eget maskineri och lura den att internalisera viruset eller bakterien inuti en vesikel som cellen själv gör. Denna process, vilket är ett av de vanliga sätten att celler tar in stora molekyler, kallas "endocytos".

Forskarna använde olika vesikelsystem och datorsimuleringar för att studera en bakteriell invasionsmekanism som verkar ha några unika egenskaper. Mekanismen används, bland andra, av bakterierna som orsakar shigella och som producerar en liten, styvt protein som kallas Shiga-toxin.

Studien fann att Shiga-toxinpartiklar binder tätt till vissa lipider, eller fetter, på membranytan av cellen som ska invaderas. De börjar sedan bilda kluster på membranet, som gör att membranet böjer sig inåt, skapa rörformade invaginationer, genom vilken toxinpartiklarna kommer in i cellen. Väl inne, Shiga-toxinerna modifierar cellens genetiska mekanism, och infektionen har börjat.

Men den stora upptäckten var att toxinet faktiskt utnyttjar en generisk, fysisk kraft i cellens membran för att producera invaginationerna. Detta kallas "Casimir-kraften" och beskrevs först som en teoretisk kraft som verkar mellan två laddade, parallell, ledande ytor.

När det gäller biologi, Casimir-kraften tros verka mellan membranbundna proteiner i celler, existerar på alla flytande biologiska cellmembran och uppstår endast när patogenen binder tätt till membranytan.

Forskarna föreslår att Shigella-bakterier, och andra patogener, har utvecklats för att dra fördel av Casimir-kraften som uppstår från det fluktuerande plasmamembranet för att infektera celler. Dessutom, eftersom fetterna som toxinet binder till används av cellen för sin egen verksamhet, Shiga-toxinet kan inte blockeras från att komma in utan att inaktivera eller ändra cellens normala funktioner.

Nanopartiklar för läkemedelstillförsel

Men eftersom Casimir-kraften tros uppstå för alla hårt bundna nanopartiklar på ytan av cellens membran, det finns potential att producera en roman, nanopartikelbaserad väg för läkemedelsleverans. Först, vi skulle behöva binda nanopartiklar tätt till cellens yta där de kommer att samlas. Andra, nanopartiklarna måste också öka cellmembranets krökning något för att utnyttja Casimir-kraften och komma in i cellen. Väl inne, de kan börja göra nytta, defensiva förändringar i cellens beteende.

"Där naturen har lett till att utforma ett sätt för patogener att infektera celler, tillverkade nanopartiklar kan följa för att behandla cellulär dysfunktion, säger Julian Shillcock.