Новая наностратегия борьбы с супербактериями
Удаления устойчивых к антибиотикам бактерий из сточных вод недостаточно для устранения рисков. Необходимо также уничтожать оставляемые ими генетические фрагменты.
Исследователи из Инженерной школы Брауна Университета Райса разработали стратегию "захвата и уничтожения" генов антибиотикорезистентности (ARG). Эти фрагменты бактерий, даже после гибели их хозяев, могут попасть в другие бактерии и усилить их устойчивость.
Команда под руководством инженера-эколога Педро Альвареса использует молекулярно-импринтированные нанолисты графитированного углеродного нитрида. Они поглощают и разрушают эти генетические остатки в сточных водах до того, как те успеют инфицировать другие бактерии.
Цель исследования: плазмидные ARG, кодирующие New Delhi metallo-beta-lactamase 1 (NDM1), известную устойчивостью к множеству препаратов.
Результат: В растворе с ARG и под воздействием ультрафиолетового света обработанные нанолисты показали в 37 раз более высокую эффективность в разрушении генов по сравнению с чистым графитированным углеродным нитридом.
Исследование проведено в рамках Центра инженерии наносистем для нанотехнологий в водоподготовке (NEWT) и опубликовано в журнале Environmental Science and Technology.
Контекст проблемы
- Супербактерии (мультирезистентные бактерии), по прогнозам, станут причиной 10 миллионов смертей ежегодно к 2050 году.
- Очистные сооружения могут быть "рассадником" резистентности. Например, на станции в Тяньцзине на каждую входящую NDM1-положительную бактерию сбрасывается пять.
- Супербактерии могут быть устойчивы к хлорированию, а погибая, выделяют внеклеточные ARG (eARG). Эти гены стабилизируются в окружающей среде и могут трансформировать аутохтонные бактерии, создавая резервуары резистентности.
Суть стратегии "захват и уничтожение"
Метод использует молекулярный импринтинг — создание "ловушки" с высокой селективностью к целевой молекуле, что минимизирует влияние фоновых органических соединений.
Как создавался катализатор:
- Края нанолистов графитированного углеродного нитрида (выбран как неметаллический и безопасный материал) покрыли полимером — метакриловой кислотой — и внедрили в него гуанин.
- Гуанин, как наиболее легко окисляемое основание ДНК, затем вымыли соляной кислотой. Оставался его отпечаток (imprint), служащий селективным сайтом адсорбции для eARG.
- При облучении УФ-светом этот фотокатализатор эффективно разрушает захваченные гены.
Ключевые выводы и перспективы
- В очищенной воде все катализаторы эффективно удаляют ARG, но в сточных водах после очистки (secondary effluent) их эффективность падает из-за присутствия поглотителей активных форм кислорода и других ингибирующих соединений.
- Новая стратегия значительно превосходит коммерческие фотокатализаторы в удалении eARG в таких сложных условиях.
- Традиционные процессы обеззараживания (хлорирование, УФ-излучение) умеренно эффективны против бактерий, но слабо эффективны против ARG.
- Поскольку гуанин — общий компонент ДНК, подход должен эффективно разрушать и другие eARG.
- Технология еще не оптимизирована. Целью работы было доказательство концепции, что молекулярный импринтинг может повысить селективность и эффективность фотокаталитических процессов против eARG для потенциального промышленного применения.