Los esquemas muestran dos variantes de máquinas moleculares activadas por luz desarrolladas en la Universidad de Rice que perforan y destruyen bacterias resistentes a los antibióticos. Las máquinas podrían ser útiles para combatir enfermedades infecciosas de la piel. Crédito:Tour Research Group/Universidad Rice
Se ha enseñado a las máquinas moleculares que matan bacterias infecciosas a ver su misión bajo una nueva luz.
La última iteración de taladros a nanoescala desarrollados en la Universidad de Rice se activa con luz visible en lugar de ultravioleta (UV), como en versiones anteriores. Estos también han demostrado ser efectivos para matar bacterias a través de pruebas en infecciones reales.
El químico de Rice James Tour y su equipo probaron con éxito seis variantes de máquinas moleculares. Todos ellos perforaron las membranas de las bacterias gramnegativas y grampositivas en tan solo dos minutos. La resistencia fue inútil para las bacterias que no tienen defensas naturales contra los invasores mecánicos. Eso significa que es poco probable que desarrollen resistencia, lo que podría ofrecer una estrategia para derrotar a las bacterias que se han vuelto inmunes a los tratamientos antibacterianos estándar con el tiempo.
"Les digo a los estudiantes que cuando tengan mi edad, las bacterias resistentes a los antibióticos harán que el COVID parezca un paseo por el parque", dijo Tour. "Los antibióticos no podrán evitar que 10 millones de personas al año mueran de infecciones bacterianas. Pero esto realmente los detiene".
El innovador estudio dirigido por Ana Santos y Dongdong Liu, ex alumnos de Tour y Rice, aparece en Science Advances .
Una imagen de microscopio electrónico de transmisión muestra la bacteria Escherichia coli en varias etapas de degradación después de la exposición a taladros moleculares activados por luz desarrollados en la Universidad de Rice. Las máquinas pueden perforar las membranas de las bacterias resistentes a los antibióticos, matándolas en minutos. Crédito:Matthew Meyer/Universidad Rice
Debido a que la exposición prolongada a los rayos UV puede ser dañina para los humanos, el laboratorio de Rice ha estado refinando sus moléculas durante años. La nueva versión obtiene su energía de una luz todavía azulada a 405 nanómetros, lo que hace girar los rotores de las moléculas entre 2 y 3 millones de veces por segundo.
Otros investigadores han sugerido que la luz en esa longitud de onda tiene propiedades antibacterianas leves propias, pero la adición de máquinas moleculares la sobrealimenta, dijo Tour, quien sugirió que las infecciones bacterianas como las que sufren las víctimas de quemaduras y las personas con gangrena serán los primeros objetivos.
Las máquinas se basan en el trabajo ganador del Premio Nobel de Bernard Feringa, quien desarrolló la primera molécula con un rotor en 1999 y logró que el rotor girara de manera confiable en una dirección. Tour y su equipo presentaron sus ejercicios avanzados en un Nature 2017 papel.
Las primeras pruebas del laboratorio de Rice de las nuevas moléculas en modelos de infección de heridas por quemaduras confirmaron su capacidad para eliminar rápidamente las bacterias, incluido el Staphylococcus aureus resistente a la meticilina, una causa común de infecciones de la piel y los tejidos blandos que fue responsable de más de 100 000 muertes en 2019.
El equipo logró la activación de la luz visible mediante la adición de un grupo de nitrógeno. "Las moléculas se modificaron aún más con diferentes aminas en el estator (estacionario) o en la porción del rotor de la molécula para promover la asociación entre las aminas protonadas de las máquinas y la membrana bacteriana cargada negativamente", dijo Liu, ahora científico en Arcus. Biociencias en California.
Las membranas de las bacterias infecciosas no son rival para las máquinas moleculares desarrolladas en la Universidad de Rice. Las máquinas se activan con luz visible y perforan las bacterias, matándolas. Los taladros también podrían romper la resistencia evolucionada de los microorganismos a los antibióticos al dejar entrar los medicamentos. Crédito:Tour Research Group/Rice University
Los investigadores también encontraron que las máquinas descomponen de manera efectiva las biopelículas y las células persistentes, que se vuelven inactivas para evitar los medicamentos antibacterianos.
"Incluso si un antibiótico mata a la mayor parte de una colonia, a menudo hay algunas células persistentes que por alguna razón no mueren", dijo Tour. "Pero eso no les importa a los simulacros".
Al igual que con las versiones anteriores, las nuevas máquinas también prometen revivir medicamentos antibacterianos considerados ineficaces. "La perforación a través de las membranas de los microorganismos permite que medicamentos que de otro modo serían ineficaces ingresen a las células y superen la resistencia intrínseca o adquirida del microbio a los antibióticos", dijo Santos, quien está en el tercer año de la beca global posdoctoral que la trajo a Rice durante dos años y continúa en el Instituto de Investigación Sanitaria de las Islas Baleares en Palma, España.
El laboratorio está trabajando para lograr una mejor orientación de las bacterias para minimizar el daño a las células de los mamíferos mediante la vinculación de etiquetas peptídicas específicas de bacterias a los taladros para dirigirlos hacia los patógenos de interés. "Pero incluso sin eso, el péptido se puede aplicar a un sitio de concentración bacteriana, como en el área de una herida por quemadura", dijo Santos.
Los coautores son los ex alumnos de Rice Anna Reed y John Li, el estudiante de último año Aaron Wyderka, los estudiantes graduados Alexis van Venrooy y Jacob Beckham, el investigador Victor Li, los ex alumnos posdoctorales Mikita Misiura y Olga Samoylova, el científico investigador Ciceron Ayala-Orozco, el profesor Lawrence Alemany y Anatoly Kolomeisky , profesor de química; Antonio Oliver del Instituto de Investigación Sanitaria de las Islas Baleares y del Hospital Universitario Son Espases, Palma, España; y George Tegos de Tower Health, Reading, Pensilvania. Tour es el T.T. y W.F. Chao Profesor de Química y profesor de ciencia de materiales y nanoingeniería. 'Superbacterias' mortales destruidas por taladros moleculares
