Wetenschappers hebben een nieuwe, snelle beeldvormingstechniek gebruikt om de eerste explosieve momenten vast te leggen waarop antibiotica bacteriën aanvallen en vernietigen.

Op deze ultrasnelle tijdschalen observeerde het team dat de medicijnen microscopisch kleine poriën creëerden in de beschermende buitenlaag van de bacterie, waardoor de inhoud eruit lekte en de cel afsterft.

De experimenten zijn enkele van de eerste in hun soort en de resultaten kunnen de weg vrijmaken voor het ontwerpen van effectievere antibiotica die zich specifieker op het bacteriemembraan richten.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Central Science.

Hoe werken antibiotica?

Eén manier waarop antibiotica bacteriën doden, is door zich te richten op en de integriteit van het bacteriële buitenmembraan, dat bestaat uit een fosfolipidedubbellaag, te beschadigen.

Dit zijn twee lagen vetmoleculen (fosfolipiden) die een barrière vormen rond alle bacteriecellen. De dubbellaag is een dynamische en complexe structuur met unieke fysische eigenschappen, zoals de vloeibaarheid ervan, die afhankelijk zijn van het type en het aantal lipiden in het membraan.

Membraanverstoring is een belangrijke oorzaak van bacteriële sterfte, maar hoe dit precies gebeurt, is nog niet volledig duidelijk, grotendeels omdat deze gebeurtenissen zich op uitzonderlijk korte tijdschalen voordoen.

De huidige studie pakt deze kenniskloof aan door experimenten te combineren met computationele simulaties om de initiële processen die betrokken zijn bij membraanschade te onderzoeken.

Het vastleggen van het onzichtbare

Een team onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Oxford en de Universiteit van Californië, San Diego, gebruikte snelle atomaire krachtmicroscopie (HS-AFM) om te zien hoe een membraanverstorend antibioticum in bijna realtime interactie aangaat met een bacterieel membraan.

Het hogesnelheidsinstrument registreert de interacties tussen een oscillerende punt op nanoschaal en een zacht materiaal met een snelheid van bijna 770.000 frames per seconde, waardoor details zichtbaar worden die met conventionele beeldvormingsmethoden niet zichtbaar zijn.

Het team gebruikte de unieke mogelijkheden van het instrument om de gebeurtenissen vast te leggen die plaatsvinden in de tijdschalen van microseconden tot milliseconden nadat een antibioticum contact maakt met het bacteriële membraan, waardoor ze het allereerste begin van het celdoodproces konden observeren.

Professor Aleksander Bublitz van de afdeling scheikunde van Oxford zei:'Het is ongelooflijk moeilijk om snelle processen op zulke kleine lengteschalen in beeld te brengen, maar door dit hulpmiddel te combineren met computationele simulaties kunnen we beginnen te begrijpen hoe antibiotica ervoor zorgen dat membranen kapot gaan. Die informatie kunnen we vervolgens gebruiken om betere medicijnen te ontwerpen die zich specifiek op de bacteriële membranen richten en deze effectiever ontwrichten.'

Nieuwe inzichten

Het onderzoek onthult voor het eerst de cruciale rol die de bacteriële membraanvloeibaarheid en de bindingsdynamiek van antibioticamoleculen spelen in het porievormingsproces.

Door het systeem na te bootsen met computersimulaties konden de onderzoekers zien hoe het antibioticum op atomair niveau werkt.

Dankzij de simulaties konden ze specifieke membraanlipiden en specifieke antibiotica-membraan-interacties identificeren die cruciaal zijn voor het porievormingsproces.

Deze informatie kan worden gebruikt om effectievere medicijnen te ontwikkelen door specifieke moleculen te ontwikkelen die zich richten op de geïdentificeerde lipiden of antibioticabindingsplaatsen.