David Medina, doktorand vid nordöstra, använder bakterier för att producera nanopartiklar som är särskilt effektiva för att döda vilken typ av cell som helst som används för att skapa dem, inklusive bakteriestammar som är resistenta mot traditionella antibiotika. Upphovsman:Matthew Modoono/Northeastern University
Uppskattningsvis 700, 000 människor världen över dör av antibiotikaresistenta infektioner varje år, inklusive stammar av E coli , Stafylokock , och lunginflammation. Och om nuvarande trender fortsätter, vissa förutsägelser säger att den årliga dödssiffran kan stiga till 10 miljoner år 2050, överstiger mängden människor som dödats av alla cancerformer tillsammans.
Mikroskopiska partiklar, tillverkad av samma antibiotikaresistenta bakterier, kan ersätta traditionella antibiotika och ge en lösning på denna hotande kris, säger Thomas Webster, professor i kemiteknik vid nordöstra.
Webster och hans kollegor använder bakterier för att producera nanopartiklar, metalliska partiklar som är mellan en och 100 nanometer breda. (Ett enda hår är cirka 80, 000 nanometer breda.) Forskarna har funnit att dessa nanopartiklar är särskilt effektiva för att döda vilken typ av cell som helst som användes för att skapa dem, inklusive bakteriestammar som är resistenta mot traditionella antibiotika.
"Dessa partiklar som tillverkas av levande organismer är faktiskt bättre än de som tillverkas genom syntetisk kemi, "säger Webster, som också är Art Zafiropoulo Chair in Engineering på Northeastern. "De kan selektivt rikta in sig på bakterierna eller cellen som gjorde dem."
På grund av sin lilla storlek, nanopartiklar kan förstöra celler genom att kväva dem från utsidan eller störa cellulära funktioner inifrån. Den svåra delen är att se till att nanopartiklar bara dödar cellerna de ska.
"Vi har många bra bakterier i kroppen, "Säger Webster." Du vill bara döda de skadliga. "
Nanopartiklar produceras vanligtvis syntetiskt, med hjälp av kemiska reaktioner. Men genom att mata bakterier eller andra celler rätt kemisk förening, forskarna har kunnat använda en cells inre mekanismer för att istället syntetisera nanopartiklar.
Även om forskarna inte är säkra på varför dessa nanopartiklar specifikt riktar sig till deras skapare, David Medina, en doktorand i Websters laboratorium, säger att bakterierna kan felidentifiera nanopartiklarna som "vänliga".
Bakterieceller kan känna igen varandra. De kan agera för att bekämpa något som registreras som främmande, men de kan samexistera och samarbeta med sin egen sort. När bakterier gör nanopartiklar, de täcker dem i en tunn halo av protein. Det proteinskiktet kan göra att andra bakterier av samma art flaggar dem som "vänliga" och låter nanopartiklarna komma nära.
"Den naturliga beläggningen kommer från bakterierna, "Medina säger." De drar in den, tänker att det är något liknande dem. Men då, de hittar en överraskning. "
Medina använder Staphylococcus aureus för att tillverka selenanopartiklar. När selenpartiklar är nanostora, de är röda i färgen. Upphovsman:Matthew Modoono/Northeastern University
På grund av detta bedrägeri, Medina hänvisar till nanopartiklarna som "nanometriska trojanska hästar". Och, som ofta händer inom vetenskapen, upptäckten var en lycklig olycka.
Websters laboratorium har arbetat med nanopartiklar i två decennier, han säger, men som de flesta forskare, de tillverkade dessa nanopartiklar genom syntetisk kemi.
"Ibland i den processen, du måste använda ganska giftiga material, "Säger Webster. När Medina började sin doktorandforskning i labbet, han ville fokusera på mer miljövänliga metoder. "Genom Davids ansträngningar vi är ett av få laboratorier som verkligen är banbrytande inom detta område som vi kallar grön nanomedicin, där du använder antingen miljömässigt säkra material eller levande organismer för att göra nanopartiklar. "
Nanopartiklar har många potentiella användningsområden inom medicin och andra områden, men Medina bestämde sig för att se om hans skulle kunna döda bakterier. Han började odla kolonier av celler, blandning i metalliska salter för att de ska bearbetas, och sedan rena resultaten till nanopartiklar. Sedan skulle han blanda dessa nanopartiklar med en annan bakterieart, för att se om nanopartiklarna kan döda dem.
En dag, han gjorde ett misstag.
"Jag var riktigt trött, "Medina säger." Jag förberedde experimentet, och istället för att blanda nanopartiklarna med en annan bakterie, Jag blandade dem med samma. "
Nanopartiklarna, som nästan inte hade någon effekt på de bakterier han tänkte testa dem på, dödade effektivt bakterierna som skapade dem.
"David upptäckte att om vi programmerar MRSA [en antibiotikaresistent Staphylococcus-bakterie] för att göra en nanopartikel, att nanopartikel faktiskt kan selektivt döda MRSA, "Säger Webster." Och vi ser det över hela spektrumet. Om du tog en bröstcancercell och du programmerade den cellen för att göra en nanopartikel, att nanopartikel är mer selektiv när det gäller att döda bröstcancerceller än de friska celler som finns i din kropp. Det var helt oväntat. "
Denna upptäckt har blivit centrum för Medinas doktorsavhandling, och kan ge ett sätt att bekämpa det ökande antalet antibiotikaresistenta infektioner. Forskarna undersöker också hur man använder dessa metoder för att designa nanopartikelbaserade cancerbehandlingar.
"Allt vi förväntade oss att göra i detta arbete var att minska antalet giftiga kemikalier som vi använder för att göra nanopartiklar, "Webster säger." Men vi slutade med att upptäcka en hel familj av nanopartiklar som faktiskt är mer effektiva för att göra det vi vill att de ska göra:att döda bakterier, eller döda tumörceller. "
