Bacteriëndodende nano-boormachines krijgen een upgrade: zichtbaar licht activeert moleculaire machines om infecties te behandelen

Moleculaire machines die besmettelijke bacteriën doden, hebben geleerd hun missie in een nieuw licht te zien.

De nieuwste iteratie van boren op nanoschaal die zijn ontwikkeld aan de Rice University, worden geactiveerd door zichtbaar licht in plaats van ultraviolet (UV), zoals in eerdere versies. Deze zijn ook effectief gebleken in het doden van bacteriën door middel van tests op echte infecties.

Zes varianten van moleculaire machines werden met succes getest door Rice-chemicus James Tour en zijn team. Allemaal sloegen ze binnen twee minuten gaten in de membranen van gramnegatieve en grampositieve bacteriën. Resistentie was zinloos voor bacteriën die geen natuurlijke afweer hebben tegen mechanische indringers. Dat betekent dat het onwaarschijnlijk is dat ze resistentie ontwikkelen, wat mogelijk een strategie biedt om bacteriën te verslaan die in de loop van de tijd immuun zijn geworden voor standaard antibacteriële behandelingen.

“Ik vertel studenten dat wanneer ze mijn leeftijd hebben, antibioticaresistente bacteriën ervoor zullen zorgen dat COVID eruitziet als een wandeling in het park”, zei Tour. “Antibiotica zullen niet kunnen voorkomen dat 10 miljoen mensen per jaar overlijden aan bacteriële infecties. Maar dit houdt ze echt tegen.”

De baanbrekende studie onder leiding van Tour en Rice-alumni Ana Santos en Dongdong Liu verschijnt in: wetenschappelijke vooruitgang.

Omdat langdurige blootstelling aan UV schadelijk kan zijn voor mensen, is het Rice-lab al jaren bezig met het verfijnen van zijn moleculen. De nieuwe versie haalt zijn energie uit het nog steeds blauwachtige licht van 405 nanometer, waarbij de rotors van de moleculen 2 tot 3 miljoen keer per seconde ronddraaien.

Zijn is gesuggereerd door andere onderzoekers dat licht op die golflengte zelf milde antibacteriële eigenschappen heeft, maar de toevoeging van moleculaire machines zorgt voor een supercharge, zei Tour, die suggereerde dat bacteriële infecties zoals die van slachtoffers van brandwonden en mensen met gangreen vroege doelwitten zullen zijn.

De machines zijn gebaseerd op Nobelprijswinnend werk van: Bernard Feringa, die in 1999 het eerste molecuul met een rotor ontwikkelde en de rotor betrouwbaar in één richting liet draaien. Tour en zijn team introduceerden hun geavanceerde oefeningen in een 2017 Natuur papier.

De eerste tests van het Rice-lab van de nieuwe moleculen op modellen voor brandwondeninfecties bevestigden hun vermogen om snel bacteriën te doden, waaronder methicilline-resistente Staphylococcus aureus, een veelvoorkomende oorzaak van huid- en weke deleninfecties die verantwoordelijk was voor meer dan 100.000 sterfgevallen in 2019.

Het team bereikte activering van zichtbaar licht door een stikstofgroep toe te voegen. “De moleculen werden verder gemodificeerd met verschillende amines in ofwel de stator (stationair) of het rotorgedeelte van het molecuul om de associatie tussen de geprotoneerde amines van de machines en het negatief geladen bacteriële membraan te bevorderen,” zei Liu, nu een wetenschapper bij Arcus Biowetenschappen in Californië.

De onderzoekers ontdekten ook dat de machines biofilms en persistente cellen effectief afbreken, die inactief worden om antibacteriële geneesmiddelen te vermijden.

“Zelfs als een antibioticum het grootste deel van een kolonie doodt, zijn er vaak een paar persistente cellen die om de een of andere reden niet sterven,” zei Tour. “Maar dat maakt voor de oefeningen niet uit.”

Net als bij eerdere versies, beloven de nieuwe machines ook antibacteriële geneesmiddelen die als ineffectief worden beschouwd, nieuw leven in te blazen. “Door door de membranen van micro-organismen te boren, kunnen anders ineffectieve medicijnen de cellen binnendringen en de intrinsieke of verworven resistentie van de bug tegen antibiotica overwinnen”, zei Santos, die in het derde jaar zit van de postdoctorale wereldwijde fellowship die haar voor twee jaar naar Rice bracht en doorgaat aan het Health Research Institute van de Balearen in Palma, Spanje.

Het laboratorium werkt aan een betere targeting van bacteriën om schade aan zoogdiercellen te minimaliseren door bacteriespecifieke peptide-tags aan de boren te koppelen om ze naar pathogenen van belang te leiden. “Maar zelfs zonder dat kan het peptide worden aangebracht op een plaats met bacteriële concentratie, zoals in een brandwondgebied,” zei Santos.

Co-auteurs zijn Rice alumni Anna Reed en John Li, senior Aaron Wyderka, promovendi Alexis van Venrooy en Jacob Beckham, onderzoeker Victor Li, postdoctoraal alumni Mikita Misiura en Olga Samoylova, onderzoekswetenschapper Ciceron Ayala-Orozco, docent Lawrence Alemany en Anatoly Kolomeisky , een professor in de chemie; Antonio Oliver van het Health Research Institute van de Balearen en het Son Espases University Hospital, Palma, Spanje; en George Tegos van Tower Health, Reading, Pennsylvania. Tour is de TT en WF Chao hoogleraar scheikunde en een hoogleraar materiaalkunde en nano-engineering.