Kluster av nanopartiklar med fagvirus fästa hittar och dödar Escherichia coli bakterier i ett labbtest vid Rice University. Forskare vid Rice och University of Science and Technology i Kina har utvecklat en kombination av antibakteriella fager och magnetiska nanopartikelkluster som infekterar och förstör bakterier som vanligtvis skyddas av biofilmer i vattenreningssystem. Kredit:Alvarez Group/Rice University
Magnetiska nanopartikelkluster har kraften att slå igenom biofilmer för att nå bakterier som kan smutsa ner vattenbehandlingssystem, enligt forskare vid Rice University och University of Science and Technology i Kina.
Nanoklustren som utvecklats genom Rice's Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT) Engineering Research Center bär bakteriofager – virus som infekterar och sprider sig i bakterier – och levererar dem till mål som i allmänhet motstår kemisk desinfektion.
Utan att dra från en magnetisk värd, dessa "fager" sprids i lösning, i stort sett misslyckas med att penetrera biofilmer och låta bakterier växa i lösning och till och med korrodera metall, ett kostsamt problem för vattendistributionssystem.
Rice-labbet av miljöingenjör Pedro Alvarez och kollegor i Kina utvecklade och testade kluster som immobiliserar fagerna. Ett svagt magnetfält drar dem in i biofilmer till sina mål.
Forskningen är detaljerad i Royal Society of Chemistry's Miljövetenskap:Nano .
"Detta nya tillvägagångssätt, som uppstår från konvergensen av nanoteknik och virologi, har stor potential att behandla svårutrotade biofilmer på ett effektivt sätt som inte genererar skadliga desinfektionsbiprodukter, sa Alvarez.
Biofilmer kan vara fördelaktiga i vissa avloppsvattenreaktorer eller industriella fermenteringsreaktorer på grund av deras ökade reaktionshastigheter och motståndskraft mot exogena påfrestningar, sa Rice doktorand och medförfattare Pingfeng Yu. "Dock, biofilmer kan vara mycket skadliga i vattendistribution och lagringssystem eftersom de kan skydda patogena mikroorganismer som utgör betydande folkhälsoproblem och kan också bidra till korrosion och tillhörande ekonomiska förluster, " han sa.
Bakteriofager kombinerade med nanopartikelkluster kan dras in i en biofilm med en magnet. Forskare vid Rice University och University of Science and Technology i Kina utvecklade materialet för att döda svåråtkomliga bakterier som skyddas av biofilmer i vattenreningssystem. Kredit:Alvarez Group/Rice University
Labbet använde fager som är polyvalenta – som kan attackera mer än en typ av bakterier – för att rikta in sig på labbodlade filmer som innehöll stammar av Escherichia coli associerade med infektionssjukdomar och Pseudomonas aeruginosa, som är benägen att bli antibiotikaresistens.
Fagerna kombinerades med nanokluster av kol, svavel och järnoxid som modifierades ytterligare med aminogrupper. Aminobeläggningen fick fagerna att binda med klustren med huvudet först, som lämnade deras smittsamma svansar exponerade och kunde infektera bakterier.
Forskarna använde ett relativt svagt magnetfält för att trycka in nanoklustren i filmen och störa den. Bilder visade att de effektivt dödade E coli och P. aeruginosa över cirka 90 procent av filmen i en testplatta med 96 brunnar jämfört med mindre än 40 procent i en platta med enbart fager.
Forskarna noterade att bakterier fortfarande kan utveckla resistens mot fager, men förmågan att snabbt störa biofilmer skulle göra det svårare. Alvarez sa att labbet arbetar på fag "cocktails" som skulle kombinera flera typer av fager och/eller antibiotika med partiklarna för att hämma resistens.
