De steeds toenemende dreiging van 'superbacteriën' - stammen van pathogene bacteriën die ongevoelig zijn voor de antibiotica die hun voorgangers hebben onderworpen - heeft de medische gemeenschap gedwongen om bacteriedodende wapens te zoeken buiten het rijk van traditionele medicijnen. Een veelbelovende kandidaat is het antimicrobiële peptide (AMP), een van de minder bekende afweermechanismen van Moeder Natuur tegen infecties, die een ziekteverwekker doodt door te creëren, dan uitbreiden, nanometergrote poriën in het celmembraan totdat het barst. Echter, voordat dit fenomeen kan worden gebruikt als een medische therapie, onderzoekers hebben een beter begrip nodig van hoe AMP's en membranen op moleculair niveau op elkaar inwerken.

Met behulp van een nieuwe beeldvormingstechniek, een onderzoeksteam onder leiding van het National Physical Laboratory (NPL) van het Verenigd Koninkrijk helpt bij het verkrijgen van het broodnodige inzicht in de fundamentele fysische en chemische processen die plaatsvinden wanneer AMP's zich binden aan membranen en er poriën in vormen. Teamleider Paulina D. Rakowska zal de nieuwste aspecten van dit werk bespreken tijdens het AVS 60th International Symposium &Exhibition, die zal worden gehouden van 27 oktober tot en met november. 1, 2013, in Langstrand, Californië

Het observeren van de vorming van poriën in levende celmembranen door natuurlijk voorkomende AMP's is moeilijk omdat onderzoekers geen controle hebben over de stappen in het complexe proces. Vaak, de membranen van de doelcel lekken, zwellen en scheuren voordat individuele poriën voldoende kunnen uitzetten om te worden onderzocht. Rakowska en haar collega's hebben dit obstakel overwonnen door beeldvorming op nanoschaal te combineren via twee verschillende systemen, computer simulatie, een van nul gemaakte (de novo) AMP, en lipidedubbellagen gefixeerd op een vast oppervlak (bekend als een ondersteunde lipidedubbellaag of SLB).

Met de mogelijkheid om specifiek te testen waar en hoe het de novo peptide aan de SLB bindt, het porievormingsproces wordt opengesteld voor directe observatie. Atoomkrachtmicroscopie (AFM) biedt topografische (structurele) beeldvorming van het met peptide behandelde membraan, terwijl chemische analyse wordt uitgevoerd met secundaire ionenmassaspectroscopie op nanoschaal (NanoSIMS).

"Gegevens van de AFM-beelden suggereren dat membranen veranderen als gevolg van peptide-actie en porievorming, " zegt Rakowska. "NanoSIMS-beeldvorming die op dezelfde monsters is uitgevoerd, onthult de precieze locatie van peptidemoleculen binnen de membranen."

Rakowska zegt dat deze waarnemingen het allereerste fysieke en visuele bewijs leveren van antimicrobiële porie-expansie van nano- tot micrometerschaal tot het punt van volledige membraandesintegratie. "We kunnen nu het mechanisme postuleren waardoor dit gebeurt, " legt ze uit. "Wij geloven dat de eerste AMP's die zich aan het membraan binden, actief anderen 'rekruteren' om hetzelfde te doen, resulterend in de vorming van talrijke kleine poriën. Naarmate deze poriën groter worden, ze leiden uiteindelijk tot membraandesintegratie en celdood."

Het onderzoeksteam bestaat uit wetenschappers van de NPL, het Londense Centrum voor Nanotechnologie, Universiteits Hogeschool Londen, de Universiteit van Oxford, de Universiteit van Edinburgh, Freie Universiteit Berlijn en IBM. De nieuwste publicatie van het team, "Beeldvorming op nanoschaal onthult lateraal uitbreidende antimicrobiële poriën in lipidedubbellagen, " verscheen onlangs in de Proceedings van de National Academy of Sciences USA.