Бактерии любят влажные поверхности. Как только они поселяются там, они не живут как одиночные организмы, а образуют более крупные сообщества, которые заключены в защитную пленку. Эти биопленки находятся на различных поверхностях, например, дома на выключателях света, в ванной, на игрушках или клавиатурах, на тележках для покупок или банкоматах, к которым многие люди прикасаются руками. Это может привести к контактным инфекциям. Бактерии, такие как патогенная бактерия Синегнойная палочка, часто являются стойкими и не поддаются воздействию собственной иммунной системы организма или химических биоцидов. Таким образом, современные исследовательские подходы направлены на предотвращение бактериальной колонизации поверхностей материалов или, по крайней мере, на то, чтобы затруднить ее. Команда из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) и Немецкого федерального института гидрологии (BfG) в Кобленце разработала новый подход с использованием наночастиц церия.
Модифицированные сигнальные молекулы предотвращают образование биопленок
Для бактериальной жизни в сообществах важно, чтобы отдельные клетки "разговаривали" друг с другом. Общение происходит невербально с помощью сигнальных молекул, которые непрерывно излучаются в окружающую среду, в результате чего могут возникать различные "языки" и "диалекты" в зависимости от конкретной бактерии. По мере увеличения концентрации бактерий увеличивается и концентрация сигнальных молекул. Это позволяет бактериям определять количество других бактерий в окружающей среде и активировать процессы, которые обеспечивают образование биопленок.
Чтобы предотвратить колонизацию бактериальными биопленками, различные хозяева защищают себя с помощью стратегии, которая "заставляет бактерии замолчать" путем ферментативной модификации сигнальных молекул. Это делается, например, с помощью галопероксидаз, группы ферментов, которые галогенируют сигнальные молекулы через сложную цепочку реакций.
Эти модифицированные сигнальные молекулы имеют аналогичную структуру, что и исходные молекулы, и все еще могут связываться с рецепторами. Однако они больше не могут активировать технологические цепочки, которые приводят к образованию биопленки. Это вмешательство в регуляцию бактериальных генов также представляет фармакологический интерес, поскольку патогенные бактерии могут уклоняться от атаки иммунной защиты или действия антибиотиков, образуя биопленки.
Наночастицы церия берут на себя функцию природных ферментов
Исследователи из Майнца и Кобленца имитируют эти процессы с помощью наночастиц диоксида церия (CeO2). Генеральный директор2 наночастицы, как объясняют исследователи в своей недавней статье в ACS Nano, функциональный заменитель ферментов галопероксидазы. Однако молекулярные механизмы, лежащие в основе ингибирования биопленки, трудно разгадать в деталях, поскольку в бактериальных культурах происходит не только множество конкурентных реакций, но и огромное количество других биомолекул, также присутствующих в дополнение к галогенированным сигнальным молекулам.
Партнеры по сотрудничеству из Майнца и Кобленца демонстрируют каталитическое участие генерального директора, аналогичное ферменту2 наночастиц с помощью анализа каскада реакций на молекулярном уровне. Галогенированные сигнальные молекулы были впервые идентифицированы в модельных реакциях. В бактериальных культурах их непосредственное обнаружение было невозможно из-за того, что продукты разлагаются слишком быстро. Однако хроматографическая обработка и масс-спектрометрический анализ неожиданно выявили образование дополнительных галогенированных сигнальных молекул из семейства так называемых хинолонов. Это показывает, что генеральный директор2 наночастицы вмешиваются в биологические процессы точно так же, как нативные ферменты, модифицируя и инактивируя сигнальные молекулы.
Антибактериальные поверхности без риска образования резистентности стали возможными
"Диоксид церия нетоксичен, химически очень стабилен, и он содержится, например, в каталитических нейтрализаторах выхлопных газов современных автомобилей", - заявила доктор Ева Пютц, которая защитила свою докторскую диссертацию по этому проекту. Она убеждена, что диоксид церия является жизнеспособной и экономически эффективной альтернативой обычным биоцидам. "Одним из практических применений наших результатов является блокирование роста бактерий и предотвращение бактериальных инфекций", - сказала она. Сигнальные молекулы хинолона приводят к образованию небольших вариантов колоний в бактерии с множественной лекарственной устойчивостью Золотистый стафилококк, которые часто диагностически не обнаруживаются. Поскольку сигнальные молекулы галогенированного хинолона подавляют образование колоний, опасные инфекции путем P. aeruginosa и S. aureus, например, может быть предотвращено с помощью дисперсий краски, содержащих CeO2 наночастицы", - добавил доктор Афанасиос Газанис, который исследовал микробиологические аспекты в своей докторской диссертации.
"Здесь у нас есть экологически совместимый компонент для нового поколения антибактериальных поверхностей, которые имитируют защитную систему природы. Самое главное, что это работает не только в лаборатории, но и в повседневном использовании", - подчеркнул Нильс Кельч, который проводил анализ биологических следов в своей докторской диссертации.
Опасность в борьбе с биопленками с помощью биоцидов и антибиотиков заключается в формировании резистентности. Однако это можно было бы эффективно обойти экологически чистым способом, покрыв полимеры CeO2 наночастицы.
Комментарии