Ett schema visar trestegsmetoden för att producera molekylärt präglade grafitiska kolnitridnanoark. Processen som utvecklats av forskare från Rice University kan hjälpa till att fånga och döda fritt flytande antibiotikaresistenta gener som finns i sekundärt avloppsvatten som produceras av avloppsanläggningar. Kredit:Danning Zhang/Rice University
Det räcker inte att ta ut antibiotikaresistenta bakterier ur avloppsvattnet för att eliminera de risker de utgör för samhället. Bitarna de lämnar efter sig måste också förstöras.
Forskare vid Rice Universitys Brown School of Engineering har en ny strategi för att "fånga och zappa" antibiotikaresistenta gener, de bitar av bakterier som, även om deras värdar är döda, kan hitta in i och öka motståndet hos andra bakterier.
Teamet som leds av Rice miljöingenjör Pedro Alvarez använder molekylärt präglade grafitiska kolnitrid nanoark för att absorbera och bryta ned dessa genetiska rester i avloppsvattensystemet innan de har chansen att invadera och infektera andra bakterier.
Forskarna riktade in sig på plasmidkodade antibiotikaresistenta gener (ARG) som kodar för New Delhi metallo-beta-laktamas 1 (NDM1), känd för att motstå flera läkemedel. När den blandas i lösning med ARG och exponeras för ultraviolett ljus, de behandlade nanoarken visade sig 37 gånger bättre på att förstöra generna än enbart grafitisk kolnitrid.
Arbetet som utförs under överinseende av Rice-based Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT) beskrivs i tidskriften American Chemical Society Miljövetenskap och teknik .
"Denna studie tar upp en växande oro, uppkomsten av multiresistenta bakterier som kallas superbugs, sa Alvarez, chef för NEWT Center. "De beräknas orsaka 10 miljoner årliga dödsfall till 2050.
"Som miljöingenjör, Jag är orolig att viss vatteninfrastruktur kan hysa superbugs, " sa han. "T.ex. ett avloppsreningsverk i Tianjin som vi har studerat är en grogrund, släpper ut fem NDM1-positiva stammar för var och en som kommer in. Luftningstanken är som ett lyxhotell där alla bakterier växer.
"Tyvärr, vissa superbugs motstår klorering, och resistenta bakterier som dör frigör extracellulära ARG som stabiliseras av lera i mottagande miljöer och transformerar inhemska bakterier, blir resistomreservoarer. Detta understryker behovet av teknisk innovation, för att förhindra utsläpp av extracellulära ARG.
"I det här pappret, vi diskuterar en trap-and-zap-strategi för att förstöra extracellulära ARG. Vår strategi är att använda molekylärt präglade beläggningar som förbättrar selektiviteten och minimerar interferens från organiska bakgrundsföreningar."
Till vänster, en svepelektronmikroskopbild visar den mesoporösa strukturen hos molekylärt präglade grafitiska kolnitridnanoark. Till höger, en transmissionselektronmikroskopbild visar arkets kant och dess kristallina struktur. Forskare från Rice University tryckte in nanoarken för att fånga och döda fritt flytande antibiotikaresistenta gener som finns i sekundärt avloppsvatten som produceras av avloppsanläggningar. Kredit:Alvarez Research Group/Rice University
Molekylär prägling är som att göra ett lås som drar till sig en nyckel, inte olikt naturliga enzymer med bindningsställen som bara passar molekyler av rätt form. För detta projekt, grafitiska kolnitridmolekyler är låset, eller fotokatalysator, anpassad för att absorbera och sedan förstöra NDM1.
För att göra katalysatorn, forskarna belade först nanoskivans kanter med en polymer, metakrylsyra, och inbäddat guanin. "Guanin är den DNA-bas som är lättast att oxidera, " sa Alvarez. "Guaninen tvättas sedan med saltsyra, som lämnar efter sig sitt avtryck. Detta fungerar som ett selektivt adsorptionsställe för miljö-DNA (eDNA)."
Rice doktorand Danning Zhang, medförfattare till tidningen, nämnda kolnitrid valdes för basnanoskivorna eftersom det är icke-metalliskt och därför är säkrare att använda, och för dess lättillgänglighet.
Alvarez noterade att alla katalysatorer är effektiva för att ta bort ARG från destillerat vatten, men inte alls lika effektivt i sekundärt avloppsvatten, en produkt från avloppsreningsverk efter att fasta ämnen och organiska föreningar avlägsnats.
"I sekundärt avlopp, du har reaktiva syrerester och andra hämmande föreningar, ", sa Alvarez. "Denna trap-and-zap-strategi förbättrar avsevärt avlägsnandet av eDNA-genen, klart bättre än kommersiella fotokatalysatorer."
Forskarna skrev att konventionella desinfektionsprocesser som används vid avloppsreningsverk, inklusive klorering och ultraviolett strålning, är måttligt effektiva för att ta bort antibiotikaresistenta bakterier men relativt ineffektiva för att ta bort ARG.
De hoppas att deras strategi kan anpassas i industriell skala.
Zhang sa att labbet ännu inte har kört omfattande tester på andra ARG. "Eftersom guanin är en vanlig beståndsdel i DNA, och därmed ARG, detta tillvägagångssätt bör också effektivt försämra andra eARG, " han sa.
Det finns utrymme att förbättra den nuvarande processen, trots dess extraordinära initiala framgång. "Vi har ännu inte försökt att optimera det fotokatalytiska materialet eller behandlingsprocessen, "Vårt mål är att erbjuda proof-of-concept att molekylär prägling kan förbättra selektiviteten och effektiviteten hos fotokatalytiska processer för att rikta in sig på eARG."
Qingbin Yuan från Nanjing Tech University, Kina, är medförfattare till tidningen. Medförfattare är Rice-studenterna Ruonan Sun och Hassan Javed, och Gang Wu, en biträdande professor i hematologi vid University of Texas Health Science Center vid Houstons McGovern Medical School. Pingfeng Yu, en postdoktor vid Rice, är medkorresponderande författare. Alvarez är George R. Brown-professor i civil- och miljöteknik och professor i kemi och i kemi- och biomolekylär teknik.
