Нано-сверла, убивающие бактерии, получили улучшение: видимый свет активирует молекулярные машины для лечения инфекций

Молекулярные машины, убивающие инфекционные бактерии, научились видеть свою миссию в новом свете.

Последняя версия наноразмерных "сверл", разработанных в Университете Райса, активируется видимым светом, а не ультрафиолетом (UV), как предыдущие. Они также доказали свою эффективность в уничтожении бактерий в тестах на реальных инфекциях.

Шесть вариантов молекулярных машин были успешно протестированы химиком Джеймсом Туром и его командой. Все они проделывали отверстия в мембранах грамотрицательных и грамположительных бактерий всего за две минуты. У бактерий, не имеющих естественной защиты от механических "захватчиков", не было шансов на сопротивление. Это означает, что у них вряд ли разовьется резистентность, что потенциально предлагает стратегию борьбы с бактериями, ставшими невосприимчивыми к стандартным антибактериальным методам лечения.

Исследование, проведенное под руководством Тура и выпускников Райса Аны Сантос и Дондонга Лю, опубликовано в Science Advances.

Поскольку длительное воздействие UV может быть вредным для человека, лаборатория Райса годами совершенствовала свои молекулы. Новая версия получает энергию от синеватого света с длиной волны 405 нанометров, заставляя роторы молекул вращаться со скоростью 2–3 миллиона раз в секунду.

Другие исследователи предполагали, что свет такой длины волны сам по себе обладает слабыми антибактериальными свойствами, но добавление молекулярных машин значительно усиливает этот эффект. Тур предположил, что первыми целями станут бактериальные инфекции, подобные тем, что бывают у жертв ожогов и людей с гангреной.

Машины основаны на отмеченной Нобелевской премией работе Бернарда Феринги, который в 1999 году создал первую молекулу с ротором, способным надежно вращаться в одном направлении. Тур и его команда представили свои усовершенствованные "сверла" в статье в Nature в 2017 году.

Первые тесты новых молекул на моделях инфицированных ожоговых ран подтвердили их способность быстро убивать бактерии, включая метициллин-резистентный Staphylococcus aureus (MRSA) — частую причину инфекций кожи и мягких тканей, ставшую причиной более 100 000 смертей в 2019 году.

Команда добилась активации видимым светом, добавив азотсодержащую группу. "Молекулы были дополнительно модифицированы различными аминами либо в статоре (неподвижной части), либо в роторной части молекулы, чтобы усилить связь между протонированными аминами машин и отрицательно заряженной бактериальной мембраной", — пояснил Лю.

Исследователи также обнаружили, что машины эффективно разрушают биопленки и персистирующие клетки, которые впадают в спячку, чтобы избежать действия антибактериальных препаратов.

Как и в случае с более ранними версиями, новые машины также могут вернуть к жизни антибактериальные препараты, считающиеся неэффективными. "Сверление через мембраны микроорганизмов позволяет обычно неэффективным препаратам проникать в клетки и преодолевать врожденную или приобретенную устойчивость бактерий к антибиотикам", — сказала Сантос.

Лаборатория работает над улучшением нацеливания на бактерии, чтобы минимизировать повреждение клеток млекопитающих, путем присоединения к "сверлам" специфичных пептидных меток, которые направят их к патогенам.