Les machines moléculaires qui tuent les bactéries infectieuses ont appris à voir leur mission sous un nouveau jour.
La dernière itération de forets à l’échelle nanométrique développée à l’Université Rice est activée par la lumière visible plutôt que par les ultraviolets (UV), comme dans les versions précédentes. Ceux-ci se sont également avérés efficaces pour tuer les bactéries grâce à des tests sur de vraies infections.
Six variantes de machines moléculaires ont été testées avec succès par le chimiste de Rice James Tour et son équipe. Tous ont percé des trous dans les membranes des bactéries gram-négatives et gram-positives en aussi peu que deux minutes. La résistance était vaine pour les bactéries qui n’ont pas de défenses naturelles contre les envahisseurs mécaniques. Cela signifie qu’il est peu probable qu’ils développent une résistance, offrant potentiellement une stratégie pour vaincre les bactéries devenues immunisées contre les traitements antibactériens standard au fil du temps.
« Je dis aux étudiants que lorsqu’ils auront mon âge, les bactéries résistantes aux antibiotiques vont faire ressembler le COVID à une promenade dans le parc », a déclaré Tour. « Les antibiotiques ne pourront pas empêcher 10 millions de personnes par an de mourir d’infections bactériennes. Mais cela les arrête vraiment. »
L’étude révolutionnaire menée par Ana Santos et Dongdong Liu, anciens élèves de Tour et Rice, apparaît dans Avancées scientifiques.
Parce qu’une exposition prolongée aux UV peut être nocive pour l’homme, le laboratoire Rice affine ses molécules depuis des années. La nouvelle version tire son énergie d’une lumière encore bleutée à 405 nanomètres, faisant tourner les rotors des molécules à 2 à 3 millions de fois par seconde.
C’est été suggéré par d’autres chercheurs que la lumière à cette longueur d’onde a ses propres propriétés antibactériennes douces, mais l’ajout de machines moléculaires la suralimente, a déclaré Tour, qui a suggéré que les infections bactériennes comme celles subies par les victimes de brûlures et les personnes atteintes de gangrène seraient les premières cibles.
Les machines sont basées sur le travail lauréat du prix Nobel de Bernard Feringa, qui a développé la première molécule avec un rotor en 1999 et a fait tourner le rotor de manière fiable dans une direction. Tour et son équipe ont présenté leurs exercices avancés dans un 2017 La nature papier.
Les premiers tests du laboratoire Rice sur les nouvelles molécules sur des modèles d’infection de brûlures ont confirmé leur capacité à tuer rapidement les bactéries, y compris le Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline, une cause fréquente d’infections de la peau et des tissus mous qui a causé plus de 100 000 décès en 2019.
L’équipe a réalisé l’activation de la lumière visible en ajoutant un groupe azoté. « Les molécules ont ensuite été modifiées avec différentes amines dans le stator (stationnaire) ou dans la partie rotor de la molécule pour favoriser l’association entre les amines protonées des machines et la membrane bactérienne chargée négativement », a déclaré Liu, aujourd’hui scientifique chez Arcus. Biosciences en Californie.
Les chercheurs ont également découvert que les machines brisent efficacement les biofilms et les cellules persistantes, qui deviennent dormantes pour éviter les médicaments antibactériens.
« Même si un antibiotique tue la majeure partie d’une colonie, il y a souvent quelques cellules persistantes qui, pour une raison quelconque, ne meurent pas », a déclaré Tour. « Mais cela n’a pas d’importance pour les exercices. »
Comme pour les versions précédentes, les nouvelles machines promettent également de relancer des médicaments antibactériens jugés inefficaces. « Le forage à travers les membranes des micro-organismes permet à des médicaments autrement inefficaces de pénétrer dans les cellules et de surmonter la résistance intrinsèque ou acquise de l’insecte aux antibiotiques », a déclaré Santos, qui en est à la troisième année de la bourse postdoctorale mondiale qui l’a amenée à Rice pendant deux ans et continue à l’Institut de recherche en santé des îles Baléares à Palma, en Espagne.
Le laboratoire travaille à un meilleur ciblage des bactéries afin de minimiser les dommages aux cellules de mammifères en reliant des étiquettes peptidiques spécifiques aux bactéries aux forets pour les diriger vers les agents pathogènes d’intérêt. « Mais même sans cela, le peptide peut être appliqué sur un site de concentration bactérienne, comme dans une zone de brûlure », a déclaré Santos.
Les co-auteurs sont les anciens de Rice Anna Reed et John Li, le senior Aaron Wyderka, les étudiants diplômés Alexis van Venrooy et Jacob Beckham, le chercheur Victor Li, les anciens postdoctoraux Mikita Misiura et Olga Samoylova, le chercheur Ciceron Ayala-Orozco, le conférencier Lawrence Alemany et Anatoly Kolomeisky , professeur de chimie; Antonio Oliver de l’Institut de Recherche en Santé des Îles Baléares et de l’Hôpital Universitaire Son Espases, Palma, Espagne ; et George Tegos de Tower Health, Reading, Pennsylvanie. Tour est professeur de chimie TT et WF Chao et professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie.
Ana L. Santos et al, Les machines moléculaires activées par la lumière sont des antibactériens à large spectre à action rapide qui ciblent la membrane, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abm2055. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm2055