In de momenten voorafgaand aan de aanval door een korte, eigenaardige peptide, de bacteriën groeien gelukkig, hun DNA wiebelt rond de cel in de semi-willekeurige bewegingen die kenmerkend zijn voor het leven.

Seconden later, het giechelen stopt. Het leven komt tot stilstand.

Ongeveer 100 miljoen peptiden - korte stukjes aminozuren, de basiseenheden van eiwitten - met de naam LL-37 zijn de cel binnengedrongen, waar, met sterke elektrische ladingen, ze zijn stevig vastgeketend aan de machines die de cel aandrijven, immobiliseren en doden.

"Het DNA lijkt binnen enkele seconden te bevriezen, " zegt James Weisshaar, een professor in de chemie aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. "Dat is de rare gebeurtenis die ons op weg heeft geholpen."

Nieuw werk uit het laboratorium van Weisshaar suggereert een voorheen onbekend mechanisme achter de functie van LL-37 en soortgelijke peptiden, die worden getest in klinische onderzoeken in een vroeg stadium voor de behandeling van infecties die resistent zijn tegen klassieke antibiotica. Een beter begrip van hoe antimicrobiële peptiden werken, zou onderzoekers kunnen helpen ze te ontwikkelen tot therapieën.

Met behulp van geavanceerde microscopische technieken, Weisshaar en zijn afgestudeerde studenten Yanyu Zhu en Soni Mohapatra hebben de stopkracht van LL-37 gedocumenteerd, een antimicrobieel peptide dat door het menselijk immuunsysteem wordt gemaakt als eerstelijnsverdediging tegen pathogenen. LL-37 behoort tot een klasse van oude peptiden die bacteriën op een andere manier bestrijden dan de meeste andere antibiotica, een waar bacteriën moeilijk weerstand aan kunnen bieden. Maar het mechanisme achter de werking van LL-37 en zijn verwanten was moeilijk vast te stellen.

Schrijven in de Proceedings van de National Academy of Sciences in januari, De groep van Weisshaar onthult dat zodra LL-37 toegang krijgt tot een bacteriële cel, het belemmert snel de bewegingsvrijheid die nodig is om DNA en eiwitten te laten werken. De onderzoekers speculeren dat de grote positieve elektrische lading van LL-37 het helpt te binden aan de overweldigend negatief geladen moleculen in de cel, waardoor de schade blijvend is.

De meeste antibiotica zijn chemicaliën met kleine moleculen die werken door te interfereren met een enkel eiwit, die het metabolisme van de ziekteverwekker verstoort. Maar LL-37 en verwante antimicrobiële middelen zijn anders. Ze zijn gemaakt van aminozuren en zijn veel groter dan andere antibiotica. En eerder onderzoek heeft gesuggereerd dat ze de integriteit van de hele cel aantasten, gedeeltelijk door gaten in het celmembraan te slaan, het effectief verwijderen van de ziekteverwekkers.

Onlangs, Het team van Weisshaar bestudeerde de effecten van LL-37 op cellen met behulp van een Nobelprijswinnende techniek die bekend staat als superresolutiemicroscopie. die individuele moleculen in een cel kan volgen. Ze merkten dat niet alleen het eiwit ervoor zorgde dat de inhoud van de cel naar buiten lekte, maar het stopte ook de normaal drukke beweging van moleculen in de cel.

De onderzoekers volgden de beweging van het DNA en de ribosomen van de cellen, moleculaire machines die de instructies van DNA vertalen naar de eiwitten die de cel besturen. Beiden bevroor momenten nadat LL-37 de cel was binnengekomen. Gegomd door LL-37, de bacteriën leken op cellen gefixeerd met formaldehyde, een krachtige en permanente cellulaire bevriezingschemicalie.

De aanwijzingen voor de remkracht van LL-37 kwamen van de elektrische ladingen die door de meeste cellulaire moleculen worden gedragen. DNA, ribosomen en veel eiwitten hebben grote negatieve ladingen.

"Al deze negatieve eiwitten en DNA kunnen langs elkaar schuiven, en als ze te dichtbij komen, stoten ze af en gaan door, " zegt Weisshaar. Het is een soort elektrische ladingssmering.

In tegenstelling tot, LL-37 is sterk positief. Weisshaar en zijn team geloven dat deze tegengestelde ladingen elkaar in de cel krachtig aantrekken. Met ongeveer 100 miljoen exemplaren van LL-37 die in elke cel terechtkomen, het is alsof je miljoenen sleutels in de machine van het leven gooit. Alles stopt.

Vooruit gaan, Weisshaar is van plan dit idee van elektrische lading te testen door de lading op LL-37 te veranderen. Zijn groep zal ook kijken of andere antimicrobiële peptiden, die worden gevonden aan de overkant van de boom des levens, op dezelfde manier bevriezen cellen in hun sporen. Die kennis kan wetenschappers helpen bij hun zoektocht naar alternatieven voor klassieke antibiotica, aangezien ziekteverwekkers er resistentie tegen ontwikkelen.

"Laten we leren hoe de natuur dit doet, en misschien helpt dat bij het ontwerpen van iets nuttigs in het ziekenhuis, ' zegt Weisshaar.