Schemat visar två varianter av ljusaktiverade molekylära maskiner utvecklade vid Rice University som borrar i och förstör antibiotikaresistenta bakterier. Maskinerna kan vara användbara för att bekämpa smittsamma hudsjukdomar. Kredit:Tour Research Group/Rice University
Molekylära maskiner som dödar smittsamma bakterier har lärt sig att se deras uppdrag i ett nytt ljus.
Den senaste iterationen av borr i nanoskala som utvecklats vid Rice University aktiveras av synligt ljus snarare än ultraviolett (UV), som i tidigare versioner. Dessa har också visat sig vara effektiva för att döda bakterier genom tester på riktiga infektioner.
Sex varianter av molekylära maskiner testades framgångsrikt av Rice-kemist James Tour och hans team. Alla stack hål i membranen hos gramnegativa och grampositiva bakterier på så lite som två minuter. Motstånd var meningslöst för bakterier som inte har något naturligt försvar mot mekaniska inkräktare. Det betyder att de sannolikt inte kommer att utveckla resistens, vilket kan erbjuda en strategi för att besegra bakterier som har blivit immuna mot vanliga antibakteriella behandlingar med tiden.
"Jag säger till eleverna att när de är i min ålder kommer antibiotikaresistenta bakterier att få covid att se ut som en promenad i parken," sa Tour. "Antibiotika kommer inte att kunna hålla 10 miljoner människor om året från att dö av bakteriella infektioner. Men det här stoppar dem verkligen."
Genombrottsstudien ledd av Tour och Rice alumner Ana Santos och Dongdong Liu visas i Science Advances .
En bild av ett transmissionselektronmikroskop visar Escherichia coli-bakterier i olika stadier av nedbrytning efter exponering för ljusaktiverade molekylära borrar utvecklade vid Rice University. Maskinerna kan borra i membranen hos antibiotikaresistenta bakterier och dödar dem på några minuter. Kredit:Matthew Meyer/Rice University
Eftersom långvarig exponering för UV kan vara skadlig för människor, har Rice lab förfinat sina molekyler i flera år. Den nya versionen får sin energi från fortfarande blåaktigt ljus på 405 nanometer, som snurrar molekylernas rotorer med 2 till 3 miljoner gånger per sekund.
Det har föreslagits av andra forskare att ljus vid den våglängden har sina egna milda antibakteriella egenskaper, men tillägget av molekylära maskiner överladdar det, säger Tour, som föreslog att bakterieinfektioner som de som drabbas av brännskador och personer med kallbrand kommer att bli tidiga mål.
Maskinerna är baserade på Nobelprisvinnande arbete av Bernard Feringa, som utvecklade den första molekylen med en rotor 1999 och fick rotorn att snurra på ett tillförlitligt sätt i en riktning. Tour och hans team introducerade sina avancerade övningar i en 2017 Nature papper.
Rislabbets första tester av de nya molekylerna på modeller för brännsårinfektion bekräftade deras förmåga att snabbt döda bakterier, inklusive meticillinresistenta Staphylococcus aureus, en vanlig orsak till hud- och mjukdelsinfektioner som var ansvarig för mer än 100 000 dödsfall under 2019.
Teamet uppnådde aktivering av synligt ljus genom att lägga till en kvävegrupp. "Molekylerna modifierades ytterligare med olika aminer i antingen statorn (stationär) eller rotordelen av molekylen för att främja associationen mellan de protonerade aminerna i maskinerna och det negativt laddade bakteriemembranet", säger Liu, nu forskare vid Arcus Biovetenskap i Kalifornien.
Membranen hos infektiösa bakterier är ingen match för molekylära maskiner som utvecklats vid Rice University. Maskinerna aktiveras av synligt ljus och borrar sig in i bakterier och dödar dem. Övningarna kan också bryta ner mikroorganismernas utvecklade resistens mot antibiotika genom att släppa in läkemedlen. Kredit:Tour Research Group/Rice University
Forskarna fann också att maskinerna effektivt bryter upp biofilmer och persisterceller, som blir vilande för att undvika antibakteriella läkemedel.
"Även om ett antibiotikum dödar större delen av en koloni, finns det ofta några persisterceller som av någon anledning inte dör," sa Tour. "Men det spelar ingen roll för övningarna."
Som med tidigare versioner lovar de nya maskinerna också att återuppliva antibakteriella läkemedel som anses vara ineffektiva. "Att borra genom mikroorganismernas membran tillåter annars ineffektiva läkemedel att komma in i cellerna och övervinna insektens inneboende eller förvärvade resistens mot antibiotika", säger Santos, som är på tredje året av det postdoktorala globala stipendiet som tog henne till Rice i två år och fortsätter. vid hälsoforskningsinstitutet på Balearerna i Palma, Spanien.
Labbet arbetar mot bättre inriktning av bakterier för att minimera skador på däggdjursceller genom att länka bakteriespecifika peptidtaggar till borrarna för att rikta dem mot patogener av intresse. "Men även utan det kan peptiden appliceras på en plats med bakteriekoncentration, som i ett brännsår", sa Santos.
Medförfattare är Rice alumn Anna Reed och John Li, senior Aaron Wyderka, doktorander Alexis van Venrooy och Jacob Beckham, forskare Victor Li, postdoktoralumn Mikita Misiura och Olga Samoylova, forskare Ciceron Ayala-Orozco, lektor Lawrence Alemany och Anatoly , professor i kemi; Antonio Oliver från Health Research Institute på Balearerna och Son Espases University Hospital, Palma, Spanien; och George Tegos från Tower Health, Reading, Pennsylvania. Turnén är T.T. och W.F. Chao professor i kemi och professor i materialvetenskap och nanoteknik. + Utforska vidare
