De bacteriën die de shigella-darmziekte veroorzaken, gebruiken een toxine dat gebruikmaakt van een fysieke kracht in het celmembraan. Hoewel moeilijk te blokkeren, het is mogelijk om te vechten met nanodeeltjes die dezelfde kracht gebruiken.

Een enorm aantal ziekten is het gevolg van bacteriële en virusinfecties. Deze ziekteverwekkers komen via verschillende routes in de cellen van het lichaam terecht. Een nieuwe studie, gezamenlijk geleid door EPFL, meldt nu de ontdekking van een voorheen onbekende infectieroute die wordt gebruikt door de bacteriën die de shigellose veroorzaken, een intestinale infectieziekte die wordt gekenmerkt door bloederige diarree. In het nieuw ontdekte mechanisme, de Shigella-bacterie maakt gebruik van een generieke kracht die wordt gecreëerd door de fluctuaties van het eigen plasmamembraan van de cel. Het werk is gepubliceerd in ACS Nano .

De studie werd uitgevoerd door John Ipsen aan de Universiteit van Zuid-Denemarken, Ludger Johannes aan het Institut Curie in Frankrijk en Julian Shillcock aan EPFL.

Normaal gesproken, cellen reguleren de binnenkomst van vreemd materiaal zeer strak, om invasies van ziekteverwekkers zoals bacteriën en virussen te voorkomen. Als resultaat, de indringers hebben verschillende mechanismen ontwikkeld om de barrières te overwinnen en toegang te krijgen tot cellen.

Bijvoorbeeld, één route omvat het kapen van de eigen machinerie van de cel en het misleiden om het virus of de bacterie te internaliseren in een blaasje dat de cel zelf maakt. Dit proces, wat een van de normale manieren is waarop cellen grote moleculen opnemen, wordt "endocytose" genoemd.

De wetenschappers gebruikten verschillende blaasjessystemen en computersimulaties om een ​​bacterieel invasiemechanisme te bestuderen dat enkele unieke eigenschappen lijkt te hebben. Het mechanisme wordt gebruikt, onder andere, door de bacteriën die shigella veroorzaken en die een kleine, rigide eiwit genaamd Shiga-toxine.

Uit de studie bleek dat Shiga-toxinedeeltjes stevig binden aan bepaalde lipiden, of vetten, op het membraanoppervlak van de cel die moet worden binnengedrongen. Ze beginnen dan clusters te vormen op het membraan, waardoor het membraan naar binnen buigt, het creëren van buisvormige invaginaties, waardoor de toxinedeeltjes de cel binnenkomen. Eenmaal binnen, de Shiga-toxines wijzigen het genetische mechanisme van de cel, en de infectie is begonnen.

Maar de belangrijkste ontdekking was dat het toxine daadwerkelijk een generiek, fysieke kracht in het celmembraan om de invaginaties te produceren. Dit wordt de "Casimir-kracht" genoemd en werd voor het eerst beschreven als een theoretische kracht die werkt tussen twee geladen, parallel, geleidende oppervlakken.

Op het gebied van biologie, de Casimir-kracht wordt verondersteld te werken tussen membraangebonden eiwitten in cellen, aanwezig op alle vloeibare biologische celmembranen en ontstaan ​​alleen wanneer de ziekteverwekker stevig aan het membraanoppervlak bindt.

De onderzoekers stellen voor dat Shigella-bacteriën, en andere ziekteverwekkers, zijn geëvolueerd om te profiteren van de Casimir-kracht die voortkomt uit het fluctuerende plasmamembraan om cellen te infecteren. In aanvulling, omdat de vetten waaraan het toxine bindt door de cel worden gebruikt voor zijn eigen activiteiten, het Shiga-toxine kan niet worden geblokkeerd om binnen te komen zonder de normale functies van de cel uit te schakelen of te wijzigen.

Nanodeeltjes voor medicijnafgifte

Maar omdat men denkt dat de Casimir-kracht ontstaat voor alle nauw gebonden nanodeeltjes op het oppervlak van het celmembraan, er is het potentieel voor het produceren van een roman, op nanodeeltjes gebaseerde route voor medicijnafgifte. Eerst, we zouden nanodeeltjes stevig aan het oppervlak van de cel moeten binden waar ze zullen clusteren. Tweede, de nanodeeltjes moeten ook de kromming van het celmembraan iets vergroten om de Casimir-kracht te benutten en toegang te krijgen tot de cel. Eenmaal binnen, ze kunnen beginnen met het maken van heilzaam, defensieve veranderingen in het gedrag van de cel.

"Waar de natuur heeft geleid tot het bedenken van een middel voor pathogenen om cellen te infecteren, gefabriceerde nanodeeltjes kunnen volgen om cellulaire disfunctie te behandelen, ', zegt Julian Shillcock.