Οι νανο-μηχανές τρυπούν και καταστρέφουν βακτήρια ανθεκτικά στα αντιβιοτικά και θα μπορούσαν να χρησιμέψουν στην καταπολέμηση μολυσματικών δερματικών παθήσεων.
Οι εν λόγω μοριακές μηχανές σε νανοκλίμακα (το νανο- αντιστοιχεί σε διάσταση ενός δισεκατομμυριοστού του μέτρου δηλαδή εκατοντάδες μικρότερη από το πλάτος της ανθρώπινης τρίχας) που αναπτύχθηκαν στο Πανεπιστήμιο Rice στο Χιούστον του Τέξας ενεργοποιούνται πλέον από το ορατό φως και όχι από το υπεριώδες (UV), όπως εκείνες των προηγούμενων εκδόσεων. Μάλιστα, η αποτελεσματικότητά τους στη θανάτωση βακτηρίων επιβεβαιώνεται μέσω δοκιμών σε πραγματικές λοιμώξεις.
Έξι παραλλαγές τέτοιων μοριακών μηχανών –«νανο-τρυπανιών» δοκιμάστηκαν με επιτυχία από τον χημικό James Tour και την ομάδα του. Όλες τους άνοιξαν τρύπες στις μεμβράνες των gram-αρνητικών και gram-θετικών βακτηρίων σε μόλις δύο λεπτά σκοτώνοντάς τα. Η αντίσταση των βακτηρίων ήταν μάταιη αφού δεν διαθέτουν φυσική άμυνα απέναντι σε μηχανικούς εισβολείς, γεγονός που ανοίγει δρόμο σε μια στρατηγική για να νικηθούν ανθεκτικά στις τυπικές αντιβακτηριδιακές θεραπείες βακτήρια με την πάροδο του χρόνου. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, τα αντιβιοτικά δεν είναι σε θέση πλέον να σώσουν 10 εκατομμύρια ανθρώπους ετησίως από το θάνατο εξαιτίας βακτηριακών λοιμώξεων.
Picture Credit: Tour Research Group/Rice University)
Οι μοριακές μηχανές όμως πραγματικά τις σταματούν. Να υπενθυμίσουμε ότι οι μοριακές μηχανές βασίζονται στο βραβευμένο με Νόμπελ έργο του Bernard Feringa, ο οποίος το 1999 ανέπτυξε το πρώτο μόριο με ρότορα, ο οποίος περιστρέφεται αξιόπιστα προς μία κατεύθυνση (το “nanocar” δηλ. «νανοκινητήρας», το μικρότερο αυτοκίνητο στον κόσμο που συνίσταται από ένα μόνο μόριο). Αρκετά χρόνια αργότερα και μετά από εξήντα περίπου διαφορετικούς σχεδιασμούς μοριακών κινητήρων, ο Νομπελίστας κατάφερε να φτάσει τον νανοκινητήρα στην εκπληκτική ταχύτητα των 12 εκατομμυρίων πλήρων περιστροφών (360 μοίρες) ανά δευτερόλεπτο.
Picture Credit: Tour Research Group/Rice University)
Το 2011 ο επιστήμονας δημιούργησε ένα τετράτροχο “nanocar” (δηλ. με τέσσερις μοριακούς κινητήρες) που μπορούσε να κινηθεί σε μια επιφάνεια χαλκού έπειτα από ηλεκτρική διέγερση. Ο Feringa και η ομάδα του τοποθέτησαν τέσσερα ενισχυμένα μόρια σε τέσσερες άξονες και πρόσθεσαν έναν στάτορα. Ένα μοριακό τετρακύλινδρο όχημα είχε βγει στο δρόμο, δηλ. σε μια μεταλλική επιφάνεια.
Σκοτώνοντας γρήγορα τα βακτήρια
Επειδή η εκτεταμένη έκθεση στην υπεριώδη ακτινοβολία μπορεί να είναι επιβλαβής για τον άνθρωπο, οι ερευνητές στο εργαστήριο Rice εδώ και χρόνια επεξεργάζονται εναλλακτικές λύσεις. Η νέα αυτή έκδοση νανομηχανών ενεργοποιείται από το μπλε φως (το τμήμα που είναι δίπλα στο υπεριώδες φως και είναι υψηλής ενέργειας) στα 405 νανόμετρα, για να περιστρέψει τους ρότορές της (από το rotation δηλαδή κάτι που κινείται περιστροφικά) 2 έως 3 εκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο.
«Σύμφωνα με προηγούμενες έρευνες το φως σε αυτό το μήκος κύματος έχει από μόνο του ήπιες αντιβακτηριακές ιδιότητες, αλλά η προσθήκη μοριακών μηχανών τις ενισχύει», λέει ο Tour, ο οποίος πρότεινε ως αρχικούς στόχους τις βακτηριακές λοιμώξεις που εμφανίζονται σε άτομα που υποφέρουν από εγκαύματα ή γάγγραινα. Οι πρώτες δοκιμές του εργαστηρίου Rice για τις νέες νανομηχανές σε λοιμώξεις από εγκαύματα επιβεβαίωσαν την ικανότητά τους να σκοτώνουν γρήγορα τα βακτήρια, συμπεριλαμβανομένου του ανθεκτικού στη μεθικιλλίνη Staphylococcus aureus, μιας κοινής αιτίας λοιμώξεων του δέρματος και των μαλακών μορίων που ευθύνεται για μερικές εκατοντάδες θανάτους τον χρόνο.
Η ομάδα πέτυχε ενεργοποίηση του ορατού φωτός προσθέτοντας μια ομάδα αζώτου.
Τα μόρια τροποποιήθηκαν περαιτέρω με διαφορετικές αμίνες είτε στον στάτορα (το σταθερό σημείο) είτε στο τμήμα του ρότορα για να προωθηθεί η σύνδεση μεταξύ της μοριακής νανομηχανής και της αρνητικά φορτισμένης βακτηριακής μεμβράνης. Οι μοριακές μηχανές εκτός από το να σκοτώσουν θα μπορούσαν επίσης να κάμψουν την αντίσταση των μικροοργανισμών στα αντιβιοτικά διευκολύνοντας τα φάρμακα να εισέλθουν μέσα στα βακτήρια. Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι οι νανομηχανές διαλύουν αποτελεσματικά και τις βιομεμβράνες αδρανών κυττάρων που εμποδίζουν τη δράση των αντιβιοτικών. Ακόμα κι αν ένα αντιβιοτικό σκοτώνει το μεγαλύτερο μέρος μιας αποικίας βακτηρίων, συχνά υπάρχουν μερικά επίμονα αδρανή κύτταρα που για κάποιο λόγο δεν πεθαίνουν.
Οι ερευνητές του εργαστηρίου εργάζονται τώρα προς την καλύτερη στόχευση των βακτηρίων για να ελαχιστοποιήσουν τη ζημιά στα κύτταρα των θηλαστικών συνδέοντας στα τρυπάνια ειδικές για βακτήρια πεπτιδικές ετικέτες που θα τα κατευθύνουν προς παθογόνα ενδιαφέροντος. Αλλά ακόμη και χωρίς αυτό, το πεπτίδιο μπορεί να εφαρμοστεί σε μια περιοχή συγκέντρωσης βακτηρίων, όπως, για παράδειγμα, σε μια περιοχή εγκαυμάτων.
Η πρωτοποριακή μελέτη εμφανίζεται στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm2055. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm2055
