Unerwartete Schönheit und eine enorme Steigerung der antimikrobiellen Wirkung, wenn Phagen überraschende Blütenformen annehmen

Eine Gruppe von McMaster-Forschern, die routinemäßig mit Bakteriophagen arbeiten – Viren, die Bakterien fressen – erlebte eine angenehme und möglicherweise sehr wichtige Überraschung, als sie Objektträger für die Betrachtung unter einem leistungsstarken Mikroskop vorbereitete.

Nachdem sie Proben sogenannter Phagen behandelt hatten, damit sie unter einem Elektronenmikroskop lebend betrachtet werden konnten, stellten die Forscher überrascht fest, dass sie sich zu dreidimensionalen Formen zusammengefügt hatten, die wie Sonnenblumen aussehen, aber nur zwei Zehntel Millimeter groß sind.

Mit ein wenig Anstoß hatte die Natur genau die Art von Struktur bereitgestellt, die Experten auf ihrem Gebiet seit Jahrzehnten künstlich zu konstruieren versuchten – eine Struktur, die sich beim Auffinden schwer fassbarer bakterieller Ziele als 100-mal effizienter als nicht verknüpfte Phagen erwies.

Die Möglichkeit, solche Strukturen zu schaffen, eröffnet Möglichkeiten für die Erkennung und Behandlung vieler Krankheitsformen, die alle natürliche Materialien und Prozesse nutzen, sagen die Forscher.

Ihre Arbeit wird in erklärt ein neu veröffentlichter Artikel im Tagebuch Fortschrittliche Funktionsmaterialien.

Die erste Entdeckung war ein glücklicher Zufall im Rahmen der alltäglichen Laborarbeit.

Anstatt die Probenphagen typischen Vorbereitungsprozessen auszusetzen, bei denen Temperaturen oder Lösungsmittel zum Einsatz kommen, die Viren abtöten, haben sich Hauptautor Lei Tian und seine Kollegen dafür entschieden, sie stattdessen mit Hochdruck-Kohlendioxid zu behandeln. Tian, ​​jetzt leitender Forscher an der Southeast University in China, leitete die Forschung während seines Doktorats. Student und später Postdoktorand bei McMaster.

Während die Forscher daran gewöhnt sind, dass mikroskopisch kleine Viren erstaunliche Dinge tun, waren sie nach der Behandlung verblüfft, als sie sahen, dass sich die Phagen in so komplexen, natürlichen und sehr nützlichen Formen zusammengeschlossen hatten.

„Wir haben versucht, die Struktur dieses nützlichen Virus zu schützen“, sagt Tian. „Das war die technische Herausforderung, die wir zu meistern versuchten. Was wir bekamen, war diese erstaunliche Struktur, die von der Natur selbst geschaffen wurde.“

Die Forscher haben mit den Einrichtungen des Canadian Centre for Electron Microscopy in McMaster Bilder der Formationen aufgenommen und die letzten zwei Jahre damit verbracht, den Prozess zu entschlüsseln und zu zeigen, wie die neuen Strukturen sehr nützliche Zwecke in Wissenschaft und Medizin erfüllen können.

„Es war eine zufällige Entdeckung“, sagt Tohid Didar, Korrespondent des Papiers, ein Maschinenbauingenieur und Inhaber des kanadischen Forschungslehrstuhls für Nano-Biomaterialien. „Als wir sie aus der Hochdruckkammer nahmen und diese wunderschönen Blumen sahen, hat uns das völlig umgehauen. Es hat zwei Jahre gedauert, bis wir herausgefunden haben, wie und warum das passiert ist, und uns die Tür geöffnet, um mit anderen Proteinen ähnliche Strukturen schaffen zu können.“ -basierte Materialien.“

In den letzten Jahren haben Forscher im Labor des leitenden Autors Zeinab Hosseinidoust, einem Chemie- und Biomediziningenieur, der den kanadischen Forschungslehrstuhl für Bakteriophagen-Bioengineering innehat, bedeutende Fortschritte in der Phagenforschung gemacht, indem sie es möglich gemacht haben, die nützlichen Viren dazu zu bringen, sich wie ein miteinander zu verbinden lebendes, mikroskopisch kleines Gewebe und sogar ein Gel bilden, das mit bloßem Auge sichtbar ist, was neue Möglichkeiten für ihre Anwendung eröffnet – insbesondere bei der Erkennung und Bekämpfung von Infektionen.

Vor der neueren Entdeckung war es jedoch nicht möglich, dem Material durch die Falten, Spitzen und Spalten der blütenähnlichen Strukturen die Form und Tiefe zu verleihen, die es jetzt hat.

„Hier geht es wirklich darum, mit der Natur zu bauen“, sagt Hosseinidoust. „Solche schönen, faltigen Strukturen sind in der Natur allgegenwärtig. Die mechanischen, optischen und biologischen Eigenschaften dieser Art von Strukturen haben Ingenieure über Jahrzehnte dazu inspiriert, diese Art von Strukturen künstlich zu bauen, in der Hoffnung, dieselben Eigenschaften zu erzielen.“ ihnen.“

Nachdem sie nun eine solche Transformation ausgelöst und den Prozess erfolgreich dupliziert haben, staunen die Forscher über die kollektive Effizienz, die die Phagen erreichen, indem sie sich zusammenschließen und solche Formen annehmen, und sie erforschen Möglichkeiten, dieselben Eigenschaften zu nutzen.

Die porösen, blütenähnlichen Phagenstrukturen sind 100-mal besser als ihre nicht verknüpften Gegenstücke beim Auffinden verstreuter, diffuser Ziele selbst in komplexen Umgebungen, eine Tatsache, die die Autoren beweisen konnten, indem sie sie mit DNAzymen vermischten, die von ihren Kollegen in der Infektionskrankheitsforschung und -anwendung erstellt wurden Die blütenähnlichen Gebilde weisen darauf hin, dass im Wasser von kommerziellen Kühltürmen geringe Konzentrationen an Legionella-Bakterien vorkommen.

Bakteriophagen werden wieder zur Behandlung vieler Infektionsformen eingesetzt, da sie so programmiert werden können, dass sie bestimmte Bakterien angreifen und andere in Ruhe lassen.

Die Arbeit auf diesem Gebiet war nach der Einführung von Penicillin in der Mitte des letzten Jahrhunderts zurückgegangen, aber da die Antibiotikaresistenz die Wirksamkeit vorhandener Antibiotika weiter untergräbt, richten Ingenieure und Wissenschaftler, darunter auch die McMaster-Forscher, ihre Aufmerksamkeit wieder auf Phagen.

Die Entdeckung des Prozesses, der dazu führt, dass sie sich zu Blütenformen verbinden, kann ihre bereits beeindruckenden Eigenschaften verstärken, sowohl beim Auffinden und Abtöten gezielter Bakterien, aber auch als Gerüst für andere nützliche Mikroorganismen und Materialien.

„Die Natur ist so mächtig und so intelligent. Als Ingenieure ist es unsere Aufgabe, zu lernen, wie sie funktioniert, damit wir solche Prozesse nutzen und nutzen können“, sagt Hosseinidoust. „Die Möglichkeiten sind endlos, denn jetzt können wir Strukturen aus biologischen Bausteinen herstellen.“