Исследователи из инженерной школы Брауна Университета Райса разработали новую стратегию «улавливания и уничтожения» генов устойчивости к антибиотикам, частей бактерий, которые, даже если их хозяева мертвы, могут проникнуть внутрь и повысить устойчивость других бактерий.
Команда во главе с инженером-экологом Райс Педро Альваресом использует нанолисты из графитового нитрида углерода с молекулярной печатью для поглощения и разложения этих генетических остатков в сточных водах канализационной системы, прежде чем они получат шанс вторгнуться и заразить другие бактерии.
Исследователи нацелились на кодируемые плазмидой гены устойчивости к антибиотикам (ARG), кодирующие металло-бета-лактамазу 1 из Нью-Дели (NDM1), известную своей устойчивостью к нескольким лекарствам. При смешивании в растворе с ARG и воздействии ультрафиолетового света обработанные нанолисты оказались в 37 раз лучше в разрушении генов, чем один графитовый нитрид углерода.
Работа, проделанная под эгидой Рисового научно-исследовательского центра наносистемной инженерии для очистки воды с использованием нанотехнологий (NEWT), подробно описана в журнале Американского химического общества «Наука об окружающей среде и технологии».
«Это исследование направлено на растущую обеспокоенность по поводу появления бактерий с множественной лекарственной устойчивостью, известных как супербактерии», – сказал Альварес, директор центра NEWT. "По прогнозам, к 2050 году они будут вызывать 10 миллионов ежегодных смертей.
«Как инженер-эколог, я беспокоюсь, что в какой-то водной инфраструктуре могут обитать супербактерии», – сказал он. «Например, станция очистки сточных вод в Тяньцзине, которую мы изучали, является питательной средой, выделяя пять NDM1-положительных штаммов из каждого поступающего. Бак аэрации похож на роскошный отель, в котором растут все бактерии.
«К сожалению, некоторые супербактерии сопротивляются хлорированию, а устойчивые бактерии, которые умирают, выделяют внеклеточные ARG, которые стабилизируются глиной в принимающей среде и трансформируют местные бактерии, становясь резервуарами резистома. Это подчеркивает необходимость технологических инноваций, чтобы предотвратить выброс внеклеточных ARG.
"В этой статье мы обсуждаем стратегию" ловушка и защита "для уничтожения внеклеточных ARG. Наша стратегия заключается в использовании покрытий с молекулярным отпечатком, которые повышают селективность и минимизируют влияние фоновых органических соединений."
Молекулярный импринтинг похож на создание замка, который притягивает ключ, в отличие от природных ферментов с сайтами связывания, которые подходят только для молекул правильной формы. Для этого проекта молекулы графитового нитрида углерода являются замком или фотокатализатором, настроенным для поглощения, а затем уничтожения NDM1.
Чтобы сделать катализатор, исследователи сначала покрыли края нанолиста полимером, метакриловой кислотой и встроенным гуанином. «Гуанин – наиболее быстро окисляемая основа ДНК», – сказал Альварес. "Затем гуанин промывают соляной кислотой, оставляя отпечаток.
Он служит местом селективной адсорбции ДНК окружающей среды (эДНК)."
Аспирант Райс Даннинг Чжан, со-ведущий автор статьи, сказал, что нитрид углерода был выбран для базовых нанолистов, потому что он неметаллический и, следовательно, более безопасен в использовании, а также из-за его легкой доступности.
Альварес отметил, что все катализаторы эффективны при удалении ARG из дистиллированной воды, но не так эффективны во вторичных сточных водах, продуктах очистных сооружений после удаления твердых частиц и органических соединений.
«Во вторичных стоках присутствуют поглотители активных форм кислорода и другие ингибирующие соединения», – сказал Альварес. "Эта стратегия" ловушка-и-запирание "значительно усиливает удаление гена эДНК, явно превосходя коммерческие фотокатализаторы."
Исследователи написали, что обычные процессы дезинфекции, используемые на очистных сооружениях, включая хлорирование и ультрафиолетовое излучение, умеренно эффективны для удаления устойчивых к антибиотикам бактерий, но относительно неэффективны для удаления ARG.
Они надеются, что их стратегию можно будет адаптировать в промышленных масштабах.
Чжан сказал, что лаборатория еще не проводила обширных тестов на других ARG. «Поскольку гуанин является обычным компонентом ДНК и, следовательно, ARG, этот подход должен также эффективно ухудшать другие EARG», – сказал он.
Есть возможности для улучшения текущего процесса, несмотря на его необычайный первоначальный успех. «Мы еще не пытались оптимизировать фотокаталитический материал или процесс обработки», – сказал Чжан. «Наша цель – предложить доказательство концепции, согласно которой молекулярный импринтинг может повысить селективность и эффективность фотокаталитических процессов для нацеливания на eARG."
Цинбинь Юань из Нанкинского технологического университета, Китай, является соавтором статьи. Соавторами являются аспиранты Райс Руонан Сун и Хасан Джавед, а также Ганг Ву, доцент кафедры гематологии Научного центра здоровья Техасского университета в Хьюстонской медицинской школе Макговерн. Пинфэн Ю, научный сотрудник Райс, является соавтором-корреспондентом.
Альварес – Джордж Р. Браун, профессор гражданской и экологической инженерии и профессор химии, химической и биомолекулярной инженерии.