Gli schemi mostrano due varianti di macchine molecolari attivate dalla luce sviluppate presso la Rice University che perforano e distruggono i batteri resistenti agli antibiotici. Le macchine potrebbero essere utili per combattere le malattie infettive della pelle. Credito:Tour Research Group/Rice University
Alle macchine molecolari che uccidono i batteri infettivi è stato insegnato a vedere la loro missione sotto una nuova luce.
L'ultima iterazione di trapani su scala nanometrica sviluppata presso la Rice University è attivata dalla luce visibile anziché dall'ultravioletto (UV), come nelle versioni precedenti. Questi si sono anche dimostrati efficaci nell'uccidere i batteri attraverso test su infezioni reali.
Sei varianti di macchine molecolari sono state testate con successo dal chimico della Rice James Tour e dal suo team. Tutti loro hanno perforato le membrane dei batteri gram-negativi e gram-positivi in appena due minuti. La resistenza era inutile per i batteri che non hanno difese naturali contro gli invasori meccanici. Ciò significa che è improbabile che sviluppino resistenza, offrendo potenzialmente una strategia per sconfiggere i batteri che nel tempo sono diventati immuni ai trattamenti antibatterici standard.
"Dico agli studenti che quando avranno la mia età, i batteri resistenti agli antibiotici faranno sembrare il COVID una passeggiata nel parco", ha detto Tour. "Gli antibiotici non saranno in grado di impedire a 10 milioni di persone all'anno di morire di infezioni batteriche. Ma questo le impedisce davvero".
Lo studio rivoluzionario condotto dagli ex studenti di Tour e Rice Ana Santos e Dongdong Liu appare inScience Advances .
Un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione mostra i batteri Escherichia coli in vari stadi di degradazione dopo l'esposizione a trapani molecolari attivati dalla luce sviluppati presso la Rice University. Le macchine sono in grado di perforare le membrane dei batteri resistenti agli antibiotici, uccidendoli in pochi minuti. Credito:Matthew Meyer/Rice University
Poiché l'esposizione prolungata ai raggi UV può essere dannosa per l'uomo, il laboratorio Rice ha affinato le sue molecole per anni. La nuova versione ottiene la sua energia da una luce ancora bluastra a 405 nanometri, facendo girare i rotori delle molecole da 2 a 3 milioni di volte al secondo.
È stato suggerito da altri ricercatori che la luce a quella lunghezza d'onda ha proprie proprietà antibatteriche lievi, ma l'aggiunta di macchine molecolari la sovraccarica, ha detto Tour, che ha suggerito che le infezioni batteriche come quelle subite dalle vittime di ustioni e le persone con cancrena saranno i primi bersagli.
Le macchine si basano sul lavoro vincitore del Premio Nobel di Bernard Feringa, che ha sviluppato la prima molecola con un rotore nel 1999 e ha fatto girare il rotore in modo affidabile in una direzione. Tour e il suo team hanno presentato le loro esercitazioni avanzate in un Nature del 2017 carta.
I primi test del laboratorio Rice delle nuove molecole sui modelli di infezione delle ferite da ustione hanno confermato la loro capacità di uccidere rapidamente i batteri, incluso lo Staphylococcus aureus resistente alla meticillina, una causa comune di infezioni della pelle e dei tessuti molli che è stata responsabile di oltre 100.000 morti nel 2019.
Il team ha ottenuto l'attivazione della luce visibile aggiungendo un gruppo di azoto. "Le molecole sono state ulteriormente modificate con diverse ammine nello statore (stazionario) o nella parte del rotore della molecola per promuovere l'associazione tra le ammine protonate delle macchine e la membrana batterica caricata negativamente", ha affermato Liu, ora scienziato di Arcus Bioscienze in California.
Le membrane dei batteri infettivi non possono competere con le macchine molecolari sviluppate alla Rice University. Le macchine vengono attivate dalla luce visibile e perforano i batteri, uccidendoli. Le esercitazioni potrebbero anche abbattere la resistenza evoluta dei microrganismi agli antibiotici lasciando entrare i farmaci. Credito:Tour Research Group/Rice University
I ricercatori hanno anche scoperto che le macchine rompono efficacemente i biofilm e le cellule persistenti, che diventano dormienti per evitare i farmaci antibatterici.
"Anche se un antibiotico uccide la maggior parte di una colonia, spesso ci sono alcune cellule persistenti che per qualche motivo non muoiono", ha detto Tour. "Ma questo non ha importanza per le esercitazioni."
Come per le versioni precedenti, anche le nuove macchine promettono di far rivivere farmaci antibatterici considerati inefficaci. "La perforazione attraverso le membrane dei microrganismi consente a farmaci altrimenti inefficaci di entrare nelle cellule e superare la resistenza intrinseca o acquisita dell'insetto agli antibiotici", ha affermato Santos, che è al terzo anno della borsa di studio globale post-dottorato che l'ha portata alla Rice per due anni e sta continuando presso l'Istituto di ricerca sanitaria delle Isole Baleari a Palma, in Spagna.
Il laboratorio sta lavorando per un migliore targeting dei batteri per ridurre al minimo i danni alle cellule dei mammiferi collegando i tag peptidici specifici dei batteri alle esercitazioni per indirizzarli verso i patogeni di interesse. "Ma anche senza quello, il peptide può essere applicato in un sito di concentrazione batterica, come in un'area della ferita da ustione", ha detto Santos.
I coautori sono gli ex alunni della Rice Anna Reed e John Li, il senior Aaron Wyderka, gli studenti laureati Alexis van Venrooy e Jacob Beckham, il ricercatore Victor Li, gli alunni post-dottorato Mikita Misiura e Olga Samoylova, il ricercatore Ciceron Ayala-Orozco, il docente Lawrence Alemany e Anatoly Kolomeisky , professore di chimica; Antonio Oliver dell'Istituto di ricerca sanitaria delle Isole Baleari e dell'ospedale universitario Son Espases, Palma, Spagna; e George Tegos di Tower Health, Reading, Pennsylvania. Tour è il T.T. e W.F. Chao Professore di Chimica e professore di scienza dei materiali e nanoingegneria. + Esplora ulteriormente
