Instrument som är mindre än ett människohår designas för att utrota antibiotikaresistenta bakterier och bekämpa cancer.
Dr. Ana Santos blir känslosam när hon beskriver vad som hände för flera år sedan:Hennes farfar och en farbror dog av urinvägsinfektioner och en god vän dukade efter efter att en oavsiktlig skärsår blev smittad.
Hon blev chockad. I en tid av antibiotika var det inte meningen att sådana olyckor skulle hända.
"Mina familjemedlemmar höll på att dö av infektioner", säger Santos, mikrobiolog vid Health Research Institute of the Balearic Islands, eller IdISBa, i Spanien. "Jag började inse att vi går tillbaka i tiden - våra antibiotika är inte längre effektiva."
Detta är en global utmaning. Nästan 5 miljoner dödsfall världen över var kopplade till antibiotikaresistenta insekter under 2019, enligt The Lancet medicinsk tidskrift.
Sex typer av resistenta bakterier orsakar mest skada. Världshälsoorganisationen har varnat för att läkemedelsresistenta sjukdomar direkt kan orsaka 10 miljoner dödsfall till 2050.
Santos har varit en del av kampen för att avvärja sådana alarmerande siffror:hon ledde ett forskningsprojekt som fick EU-medel för att utveckla mikroskopiska maskiner som kan döda resistenta bakterier. Projektet kallas REBELLION och pågick i 39 månader fram till april 2023.
"Jag stötte på det här konceptet med molekylära maskiner som borrar in i celler," sa Santos. "Vi måste börja tänka utanför boxen."
Alexander Fleming, en skotsk läkare, upptäckte 1928 det första riktiga antibiotikumet - penicillin - tillverkat av en typ av mögel. Andra antibiotika, ofta gjorda av markmikrober, hittades sedan och räddade miljontals liv.
Men i vad som faktiskt var en kapprustning, utvecklade mikroorganismer olika försvar för att överleva antibiotika.
När hennes två släktingar och vän miste livet i infektioner studerade Santos hur bakterier lever och dör under svältförhållanden. Hon bestämde sig då för att ändra sitt forskningsfokus.
"Jag kände mig frustrerad eftersom jag såg det här akuta problemet och jag gjorde ingenting åt det", sa Santos. "Människor dör alltmer av infektioner som är resistenta mot antibiotika."
Hon sökte upp forskare inom detta område för att hjälpa till och samarbetade med en grupp i Spanien för att testa hur små molekylära maskiner spett bakterier. Maskinerna består av två delar av en molekyl sammanlänkade med en kemisk bindning; när ljuset träffar börjar den övre delen snurra snabbt som en borr.
Antibiotika fäster ofta på ett specifikt bakterieprotein, ungefär som en nyckel passar in i ett lås. Problemet är att bakterier kan genomgå en fysisk förändring så att nyckeln inte längre passar låset. Antibiotikan lämnas utanför.
Tanken bakom nanomaskinerna är att de skulle vara tuffare för bakterier att undvika.
Santos drev fram dessa buggdödande maskiner som en del av REBELLION.
Deras två delar är mindre än 100 nanometer, så 1 000:e bredden av ett människohår – vilket effektivt gör dem till elritsa tillsammans med större bakterier.
Santos släppte många miljoner av sina nanomaskiner i klumpar av bakterier i hennes laboratorium. Maskinerna band till bakterierna och när de väl utsatts för ljus började de snurra och borra i dem.
Santos jublade över vad hon observerade genom sitt mikroskop:bakterieceller fulla av små hål.
Ytterligare experiment visade att de små borrarna kan döda en rad stammar som vanligtvis infekterar människor.
Sedan försökte hon något annat:färre maskiner mot meticillinresistenta Staphylococcus aureus, eller MRSA, en ökända superbug som är särskilt dödlig på sjukhus. Att ha en lägre koncentration av maskiner skulle minska risken för skador på mänskliga celler.
Instrumenten punkterade MRSA med tillräckligt många hål så att det återigen var sårbart för antibiotika.
"Det är mycket svårt för bakterier att utveckla resistens mot denna åtgärd," sa Santos. "Det är som att släppa bomber på dem."
För att distribuera detta nya vapen mot resistenta bakterier måste forskarna se till att nanomaskinerna är säkra att använda på patienter. Det innebär att vara säker på att bakterier snarare än mänskliga celler blir målinriktade.
En tidig anledning till optimism är att nanomaskinerna är positivt laddade. Som ett resultat föredrar de att fästa sig vid negativt laddade bakterier snarare än till mänskliga celler, som är mer neutrala.
I Santos experiment orsakade nanomaskinerna ingen skada på maskar när de injicerades i dem. Hon är angelägen om att flytta denna strategi närmare patienterna och förbereder sig för nästa steg:säkerhetstester på möss.
Om det lyckas kan de första patienterna som behandlas vara de med sårinfektioner – särskilt personer med svåra brännskador som är infektionsbenägna.
Nanomaskinerna kunde placeras på huden och tändas med ljus för att borra sig in i bakterier som infekterar såret.
Nanomaskiner har en historia i rampljuset.
Professor Ben Feringa vid universitetet i Groningen i Nederländerna vann Nobelpriset i kemi 2016 för nanomaskiner med molekylära motorer som kunde slås på av ultraviolett ljus.
Molekylerna ändrar form när de träffas av ljus och kan som ett resultat användas som switchar eller triggers. Feringa byggde till och med en nanobil som består av en enda molekyl som kunde röra sig längs en kopparyta.
Han hjälper till att leda ett EU-finansierat forskningsprojekt som utbildar forskare i tidiga karriärer i molekylära maskiner. Projektet heter BIOMOLMACS och pågår i fyra och ett halvt år fram till juni 2024.
Även om de ännu inte har nått sjukhus, har nanomaskiner potentialen att behandla cancerpatienter på ett sätt som upphetsar forskare och läkare. Dagens cancerläkemedel ger ofta biverkningar som håravfall, illamående, trötthet eller svagt immunförsvar. Detta beror på att läkemedlen kan lemlästa friska åskådarceller.
Ett framtidsscenario skulle kunna innebära att nanomaskiner levererar celldödande läkemedel exakt till en patients cancer, kanske gräver sig in i vilken tumör som helst.
Professor Maria Vicent vid Valencia Biomedical Research Foundation i Spanien är en BIOMOLMACS-handledare som designar små bärare för att leverera läkemedel till bröstcancerceller.
En annan handledare är professor Jan van Hest vid Eindhovens tekniska universitet i Nederländerna. Han konstruerar material som kan användas för att transportera vaccin eller nanomediciner inuti celler, inklusive cancer.
Van Hest, Vicent och Feringa har andra ledande forskare från andra håll i Europa som bidrar med sin egen expertis.
Professor Remzi Becer vid University of Warwick i Storbritannien skapar polymera nanopartiklar för att leverera framtida genterapier till exakta platser inuti patienter. Partiklarna är ofta belagda sockerarter eftersom de kan fungera som en nyckel för att öppna celler i kroppen.
"Dessa syntetiska sockerarter kan interagera med cellmembran och kan ge partikeln en nyckel för att öppna dörren och få in en gen i cellen", säger Becer, som är mentor för två tidiga forskare och koordinerar hela projektet med 15 doktorander.
Även i Storbritannien arbetar professor Robin Shattock vid Imperial College London med lipidnanopartiklar, som är små sfärer gjorda av fetter som säkert kan komma in i cellerna. Lipidnanopartiklar var det verkliga genombrottet som behövdes för covid-19-vacciner.
Studenterna till dessa europeiska toppforskare kan vara en del av en ny våg inom medicin.
"Nästa stora förändring för läkemedelsindustrin blir att träna våra gener för att förebygga cancer eller att bekämpa cancer", säger Becer.
Han sa att BIOMOLMACS kan förbereda forskare för karriärer på några av de företag som utvecklar nanomaskiner för att leverera sådana biologiska terapier till specifika organ.
Samtidigt hoppas Santos från REBELLION att hennes arbete också kan göra skillnad för cancerpatienter, vars behandlingar kan göra dem sårbara för bakteriella infektioner.
"Min goda vän hade slagit cancer men sedan dog hon av en infektion", sa hon. "Jag minns när läkaren sa, "bakterierna är resistenta mot allt - det finns inget vi kan göra."'
Hennes mål är att förhindra att läkare någonsin behöver uttala sådana rader.
Mer information:
Journalinformation: The Lancet
Tillhandahålls av Horizon:The EU Research &Innovation Magazine
