Sichtbares Licht löst molekulare Maschinen aus, um Infektionen zu behandeln

Molekularen Maschinen, die infektiöse Bakterien töten, wurde beigebracht, ihre Mission in einem neuen Licht zu sehen.

Die neueste Iteration von Bohrern im Nanomaßstab, die an der Rice University entwickelt wurden, werden durch sichtbares Licht und nicht wie in früheren Versionen durch Ultraviolett (UV) aktiviert. Diese haben sich auch bei der Abtötung von Bakterien durch Tests an echten Infektionen als wirksam erwiesen.

Sechs Varianten molekularer Maschinen wurden vom Rice-Chemiker James Tour und seinem Team erfolgreich getestet. Alle von ihnen stanzten in nur zwei Minuten Löcher in die Membranen gramnegativer und grampositiver Bakterien. Für Bakterien, die keine natürliche Abwehr gegen mechanische Eindringlinge haben, war eine Resistenz zwecklos. Das bedeutet, dass sie wahrscheinlich keine Resistenzen entwickeln, was möglicherweise eine Strategie zur Bekämpfung von Bakterien bietet, die im Laufe der Zeit gegen antibakterielle Standardbehandlungen immun geworden sind.

„Ich sage den Schülern, dass antibiotikaresistente Bakterien COVID wie einen Spaziergang im Park aussehen lassen werden, wenn sie in meinem Alter sind“, sagte Tour. „Antibiotika werden nicht in der Lage sein, 10 Millionen Menschen pro Jahr vor dem Tod durch bakterielle Infektionen zu bewahren. Aber das hält sie wirklich auf.“

Die bahnbrechende Studie unter der Leitung der Tour- und Rice-Alumni Ana Santos und Dongdong Liu erscheint in Wissenschaftliche Fortschritte.

Da eine längere UV-Exposition für den Menschen schädlich sein kann, verfeinert das Rice-Labor seine Moleküle seit Jahren. Die neue Version bezieht ihre Energie aus noch bläulichem Licht bei 405 Nanometern, das die Rotoren der Moleküle mit 2 bis 3 Millionen Mal pro Sekunde dreht.

Es ist vorgeschlagen worden von anderen Forschern, dass Licht bei dieser Wellenlänge selbst milde antibakterielle Eigenschaften hat, aber die Zugabe von molekularen Maschinen verstärkt es, sagte Tour, der vorschlug, dass bakterielle Infektionen, wie sie von Brandopfern und Menschen mit Gangrän erlitten werden, frühe Ziele sein werden.

Die Maschinen basieren auf nobelpreisgekrönten Arbeiten von Bernhard Feringa, der 1999 das erste Molekül mit Rotor entwickelte und den Rotor dazu brachte, sich zuverlässig in eine Richtung zu drehen. Tour und sein Team stellten ihre fortgeschrittenen Drills in a vor 2017 Natur Papier.

Die ersten Tests des Rice-Labors mit den neuen Molekülen an Infektionsmodellen für Brandwunden bestätigten ihre Fähigkeit, Bakterien schnell abzutöten, darunter Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus, eine häufige Ursache für Haut- und Weichteilinfektionen, die 2019 für mehr als 100.000 Todesfälle verantwortlich war.

Das Team erreichte eine Aktivierung durch sichtbares Licht, indem es eine Stickstoffgruppe hinzufügte. „Die Moleküle wurden entweder im Stator (stationär) oder im Rotorteil des Moleküls mit verschiedenen Aminen weiter modifiziert, um die Assoziation zwischen den protonierten Aminen der Maschinen und der negativ geladenen Bakterienmembran zu fördern“, sagte Liu, jetzt Wissenschaftler bei Arcus Biowissenschaften in Kalifornien.

Die Forscher fanden auch heraus, dass die Maschinen Biofilme und hartnäckige Zellen effektiv aufbrechen, die inaktiv werden, um antibakterielle Medikamente zu vermeiden.

„Selbst wenn ein Antibiotikum den größten Teil einer Kolonie tötet, gibt es oft ein paar persistierende Zellen, die aus irgendeinem Grund nicht sterben“, sagte Tour. „Aber das ist den Bohrern egal.“

Wie bei früheren Versionen versprechen die neuen Maschinen auch, als unwirksam geltende antibakterielle Medikamente wiederzubeleben. „Durch das Durchbohren der Membranen der Mikroorganismen können ansonsten unwirksame Medikamente in die Zellen eindringen und die intrinsische oder erworbene Resistenz des Käfers gegen Antibiotika überwinden“, sagte Santos, die im dritten Jahr des globalen Postdoktorandenstipendiums ist, das sie für zwei Jahre nach Rice brachte und fortsetzt am Gesundheitsforschungsinstitut der Balearen in Palma, Spanien.

Das Labor arbeitet an einem besseren Targeting von Bakterien, um Schäden an Säugetierzellen zu minimieren, indem bakterienspezifische Peptid-Tags mit den Bohrern verknüpft werden, um sie auf interessierende Krankheitserreger zu lenken. „Aber auch ohne das kann das Peptid auf eine Stelle mit bakterieller Konzentration aufgetragen werden, wie in einem Brandwundenbereich“, sagte Santos.

Co-Autoren sind die Rice-Alumni Anna Reed und John Li, Senior Aaron Wyderka, die Doktoranden Alexis van Venrooy und Jacob Beckham, der Forscher Victor Li, die Postdoc-Alumni Mikita Misiura und Olga Samoylova, der Forschungswissenschaftler Ciceron Ayala-Orozco, der Dozent Lawrence Alemany und Anatoly Kolomeisky , Professor für Chemie; Antonio Oliver vom Gesundheitsforschungsinstitut der Balearen und dem Universitätskrankenhaus Son Espases, Palma, Spanien; und George Tegos von Tower Health, Reading, Pennsylvania. Tour ist TT- und WF-Chao-Professor für Chemie und Professor für Materialwissenschaften und Nanotechnik.