Een laboratoriumfout met een enzym uit bacteriën heeft geleid tot de creatie van de Leviathan van polymeerborstels, opkomende biocompatibele materialen met het potentieel om infectieuze bacteriën af te weren.

Polymeerborstels zijn oppervlakken die normaal gesproken bedekt zijn met borstelharen op nanoschaal gemaakt van polymeren, spaghetti-achtige moleculaire ketens die chemisch worden gesynthetiseerd. Maar in een nieuwe studie een team onder leiding van onderzoekers van het Georgia Institute of Technology stuitte op een biologische techniek om de borstels te verbeteren door de borstelharen te laten groeien tot reuzen die 100 keer de gebruikelijke lengte zijn.

"We plaatsten het enzym op een oppervlak om het te observeren voor een totaal ander experiment, maar we leggen te veel te dicht op het oppervlak, en - boem - we eindigden met de dikste, langste polymeerborstel die we ooit hebben gezien of gehoord, " zei Jennifer Curtis, die de studie leidde en een universitair hoofddocent is aan de School of Physics van Georgia Tech. "Ze waren zo groot dat je ze onder een optische microscoop kon zien in plaats van ze te moeten voelen met een atoomkrachtmicroscoop of andere methoden te gebruiken die nodig zijn voor meer gebruikelijke polymeerborstels."

De onderzoekers leidden de aandacht af van het oorspronkelijke onderzoek om de bizar grote nieuwe borstel na te jagen.

aan bacteriën die hen binnendringen, de borstelharen zijn vrijwel ondoordringbaar, squishy struikgewas dat microben buiten houdt in laboratoriumobservaties. Het belemmert de verspreiding van biofilms, bacteriekolonies die samenkomen om een ​​taai materiaal te vormen dat het doden van de bacteriën moeilijk maakt.

Biofilm bolwerk

"Het menselijk immuunsysteem heeft het moeilijk met biofilms. Antibiotica werken ook niet erg goed op hen. Bij waterfiltratie, biofilms kunnen hardnekkig blijven plakken, te. Als u een hyaluronanborstel op een oppervlak heeft, een biofilm kan er niet aan blijven plakken, ' zei Curtis.

hyaluronzuur, de verbinding in de borstelharen, is een polysacharide, een keten van suikermoleculen, en is van nature wijdverbreid in en rond onze cellen. Het is ook bij velen bekend van het gebruik in cosmetische moisturizers.

Het enzym dat de hyaluronborstelharen op de borstel maakt, is hyaluronansynthase, en het omzeilt meer vervelende chemische synthese door moeiteloos extreem lange borstelharen te extruderen. De enzymen kunnen ook borstelharen vervangen wanneer ze afbreken, iets wat chemisch gesynthetiseerde borstels niet kunnen, wat de duurzaamheid van die borstels beperkt. Nog altijd, gebruik van de synthase is onorthodox.

"Brush mensen zeggen, 'Wat doen deze enzymen hier?' omdat ze op zoek zijn naar scheikunde, en biologen vragen zich af wat het penseel met biologie te maken heeft, ' zei Curtis.

Het team publiceerde de nieuwe studie, Zelfregenererende gigantische hyaluronan-polymeerborstels, in het journaal Natuurcommunicatie in december 2019. Het onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation.

Gebouwd E coli

De onderzoekers ontwikkelden bacteriën om het enzym in overvloed te produceren door hyaluronansynthase-genen van de bacterie Streptococcus equisimilis in te brengen in E coli toen oogstten ze het enzym.

"We hebben de bacteriën verbrijzeld in een stel niet-levende kleverige fragmenten en vervolgens hun membraan aan oppervlakken gehecht, en de synthase extrudeerde de borstels, ' zei Curtis.

De enzymen kunnen worden in- en uitgeschakeld, en het aanpassen van de zoutconcentratie of pH in de oplossing rond de borstels zorgt ervoor dat de borstelharen zich uitstrekken tot een rechte vorm of opkrullen tot een teruggetrokken vorm. Functionele additieven zoals antibacteriële middelen kunnen worden ingebed in borstels.

Iets als een katheter zou op een dag kunnen worden bedekt met borstels om bacterievrij te blijven, en de dikte van de kronkelige borstels zou ook als smeermiddel werken door wrijvingscontact met het onderliggende oppervlak te voorkomen. Sommige menselijke cellen die essentieel zijn voor het genezingsproces, kunnen zelfs door de borstelharen zakken, die potentieel voor medicijnen zouden kunnen hebben.

"Voor een chronische wond die niet geneest, je kunt misschien een verband ontwerpen dat de groei van nieuwe cellen stimuleert, maar bacteriën buiten houdt, ' zei Curtis.

Biofysisch onderzoek

De toevallige omweg van de onderzoekers naar de gigantische borstel heeft de mogelijkheden uitgebreid voor hun oorspronkelijke bedoeling om enzymatisch hyaluronan afzonderlijk te bestuderen.

"We zijn constant bezig met de koppeling van biochemie, chemische signalering, en mechanica, dus iets hebben dat de mechanica isoleert van de signalering, zodat we ons kunnen concentreren op alleen de mechanica, is erg handig, ' zei Curtis.