Non è sufficiente eliminare i batteri resistenti agli antibiotici dalle acque reflue per eliminare i rischi che rappresentano per la società. Anche i frammenti che lasciano devono essere distrutti.

I ricercatori della Brown School of Engineering della Rice University hanno una nuova strategia per "intrappolare e zappare" i geni resistenti agli antibiotici, i pezzi di batteri che, anche se i loro ospiti sono morti, possono trovare la loro strada e aumentare la resistenza di altri batteri.

Il team guidato dall'ingegnere ambientale della Rice Pedro Alvarez sta utilizzando nanofogli di nitruro di carbonio grafitico a stampa molecolare per assorbire e degradare questi resti genetici nelle acque reflue del sistema fognario prima che abbiano la possibilità di invadere e infettare altri batteri.

I ricercatori hanno preso di mira i geni resistenti agli antibiotici (ARG) codificati da plasmidi che codificano per la metallo-beta-lattamasi 1 di Nuova Delhi (NDM1), noto per resistere a più farmaci. Quando miscelato in soluzione con gli ARG ed esposto alla luce ultravioletta, i nanofogli trattati si sono dimostrati 37 volte migliori nel distruggere i geni rispetto al solo nitruro di carbonio grafitico.

Il lavoro svolto sotto gli auspici del Centro di ricerca sull'ingegneria dei nanosistemi a base di riso per il trattamento delle acque abilitate dalle nanotecnologie (NEWT) è dettagliato nella rivista dell'American Chemical Society Scienze e tecnologie ambientali .

"Questo studio affronta una preoccupazione crescente, l'emergere di batteri multiresistenti noti come superbatteri, " ha detto Alvarez, direttore del Centro NEWT. "Si prevede che causeranno 10 milioni di morti all'anno entro il 2050.

"Come ingegnere ambientale, Temo che alcune infrastrutture idriche possano ospitare superbatteri, " ha detto. "Per esempio, un impianto di trattamento delle acque reflue a Tianjin che abbiamo studiato è un terreno fertile, scaricando cinque ceppi NDM1-positivi per ognuno che entra. Il serbatoio di aerazione è come un hotel di lusso dove crescono tutti i batteri.

"Sfortunatamente, alcuni superbatteri resistono alla clorazione, e batteri resistenti che muoiono rilasciano ARG extracellulari che vengono stabilizzati dall'argilla negli ambienti riceventi e trasformano i batteri indigeni, diventando serbatoi resistomi. Ciò sottolinea la necessità di innovazione tecnologica, per prevenire la scarica di ARG extracellulari.

"In questo documento, discutiamo una strategia trap-and-zap per distruggere gli ARG extracellulari. La nostra strategia consiste nell'utilizzare rivestimenti a stampa molecolare che migliorano la selettività e riducono al minimo l'interferenza da parte dei composti organici di fondo".

L'imprinting molecolare è come fare un lucchetto che attrae una chiave, non diversamente dagli enzimi naturali con siti di legame che si adattano solo a molecole della forma giusta. Per questo progetto, le molecole di nitruro di carbonio grafitico sono la serratura, o fotocatalizzatore, personalizzato per assorbire e quindi distruggere NDM1.

Per fare il catalizzatore, i ricercatori hanno prima rivestito i bordi del nanofoglio con un polimero, acido metacrilico, e guanina incorporata. "La guanina è la base del DNA più facilmente ossidabile, " Ha detto Alvarez. "La guanina viene poi lavata con acido cloridrico, che lascia la sua impronta. Questo serve come sito di adsorbimento selettivo per il DNA ambientale (eDNA)."

Studente laureato di riso Danning Zhang, co-autore dell'articolo, detto nitruro di carbonio è stato scelto per i nanosheet di base perché non è metallico ed è quindi più sicuro da usare, e per la sua facile reperibilità.

Alvarez ha notato che tutti i catalizzatori sono efficienti nel rimuovere gli ARG dall'acqua distillata, ma non altrettanto efficace nell'effluente secondario, un prodotto degli impianti di trattamento delle acque reflue dopo la rimozione di solidi e composti organici.

"Nell'effluente secondario, hai spazzini di specie reattive dell'ossigeno e altri composti inibitori, " Ha detto Alvarez. "Questa strategia trap-and-zap migliora significativamente la rimozione del gene eDNA, nettamente superiori ai fotocatalizzatori commerciali."

I ricercatori hanno scritto che i processi di disinfezione convenzionali utilizzati negli impianti di trattamento delle acque reflue, compresa la clorazione e le radiazioni ultraviolette, sono moderatamente efficaci nella rimozione dei batteri resistenti agli antibiotici ma relativamente inefficaci nella rimozione degli ARG.

Sperano che la loro strategia possa essere adattata su scala industriale.

Zhang ha affermato che il laboratorio non ha ancora eseguito test approfonditi su altri ARG. "Poiché la guanina è un costituente comune del DNA, e quindi ARG, questo approccio dovrebbe anche degradare in modo efficiente altri eARG, " Egli ha detto.

C'è spazio per migliorare il processo attuale, nonostante il suo straordinario successo iniziale. "Non abbiamo ancora tentato di ottimizzare il materiale fotocatalitico o il processo di trattamento, " Ha detto Zhang. "Il nostro obiettivo è offrire la prova del concetto che l'imprinting molecolare può migliorare la selettività e l'efficacia dei processi fotocatalitici per colpire gli eARG".

Qingbin Yuan della Nanjing Tech University, Cina, è co-autore principale del documento. I coautori sono gli studenti laureati della Rice Ruonan Sun e Hassan Javed, e Gang Wu, un assistente professore di ematologia presso l'Università del Texas Health Science Center presso la McGovern Medical School di Houston. Pingfeng Yu, un ricercatore post-dottorato alla Rice, è autore corrispondente. Alvarez è il George R. Brown Professor di Ingegneria Civile e Ambientale e professore di chimica e di ingegneria chimica e biomolecolare.