Het is niet voldoende om antibioticaresistente bacteriën uit het afvalwater te halen om de risico's voor de samenleving weg te nemen. De stukjes die ze achterlaten moeten ook worden vernietigd.

Onderzoekers van de Brown School of Engineering van Rice University hebben een nieuwe strategie om antibioticaresistente genen te 'vangen en te zappen'. de stukjes bacteriën die, ook al zijn hun gastheren dood, kunnen hun weg vinden naar en de weerstand van andere bacteriën versterken.

Het team onder leiding van Rice-milieu-ingenieur Pedro Alvarez gebruikt moleculair bedrukte grafiet-koolstofnitride-nanobladen om deze genetische overblijfselen in afvalwater van rioleringen te absorberen en af ​​te breken voordat ze de kans krijgen om andere bacteriën binnen te dringen en te infecteren.

De onderzoekers richtten zich op plasmide-gecodeerde antibioticaresistente genen (ARG) die coderen voor New Delhi metallo-beta-lactamase 1 (NDM1), waarvan bekend is dat ze bestand zijn tegen meerdere medicijnen. Wanneer gemengd in oplossing met de ARG's en blootgesteld aan ultraviolet licht, de behandelde nanosheets bleken 37 keer beter in het vernietigen van de genen dan alleen grafietkoolstofnitride.

Het werk dat is gedaan onder auspiciën van het op rijst gebaseerde Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT) wordt gedetailleerd beschreven in het tijdschrift American Chemical Society Milieuwetenschap en -technologie .

"Deze studie gaat in op een groeiende bezorgdheid, de opkomst van multiresistente bacteriën die bekend staan ​​als superbacteriën, " zei Allvarez, directeur van het NEWT Center. "Ze zullen naar verwachting 10 miljoen jaarlijkse sterfgevallen veroorzaken in 2050.

"Als milieutechnisch ingenieur Ik maak me zorgen dat sommige waterinfrastructuur superbugs herbergt, "zei hij. "Bijvoorbeeld, een afvalwaterzuiveringsinstallatie in Tianjin die we hebben bestudeerd, is een broedplaats, het ontladen van vijf NDM1-positieve stammen voor elke die binnenkomt. De beluchtingstank is als een luxe hotel waar alle bacteriën groeien.

"Helaas, sommige superbacteriën zijn bestand tegen chlorering, en resistente bacteriën die afsterven, geven extracellulaire ARG's af die door klei worden gestabiliseerd in ontvangende omgevingen en inheemse bacteriën transformeren, resistente reservoirs worden. Dit onderstreept de noodzaak van technologische innovatie, om de afvoer van extracellulaire ARG's te voorkomen.

"In deze krant, we bespreken een val-en-zap-strategie om extracellulaire ARG's te vernietigen. Onze strategie is om moleculair bedrukte coatings te gebruiken die de selectiviteit verbeteren en interferentie door organische achtergrondverbindingen minimaliseren."

Moleculaire imprinting is als het maken van een slot dat een sleutel aantrekt, niet anders dan natuurlijke enzymen met bindingsplaatsen die alleen op moleculen met de juiste vorm passen. Voor dit project, grafiet-koolstofnitride-moleculen zijn het slot, of fotokatalysator, aangepast om NDM1 te absorberen en vervolgens te vernietigen.

Om de katalysator te maken, de onderzoekers bedekten de randen van het nanoblad eerst met een polymeer, methacrylzuur, en ingebedde guanine. "Guanine is de gemakkelijkst geoxideerde DNA-base, " zei Alvarez. "De guanine wordt vervolgens gewassen met zoutzuur, die zijn stempel achterlaat. Dit dient als een selectieve adsorptieplaats voor omgevings-DNA (eDNA)."

Rijst afgestudeerde student Danning Zhang, mede-hoofdauteur van het artikel, dat koolstofnitride werd gekozen voor de basis nanosheets omdat het niet-metaalachtig is en dus veiliger in gebruik, en vanwege de gemakkelijke beschikbaarheid.

Alvarez merkte op dat alle katalysatoren efficiënt zijn in het verwijderen van ARG's uit gedestilleerd water, maar lang niet zo effectief in secundair afvalwater, een product van rioolwaterzuiveringsinstallaties nadat vaste stoffen en organische verbindingen zijn verwijderd.

"In secundair afvalwater, je hebt reactieve zuurstofspecies aaseters en andere remmende verbindingen, Alvarez zei. "Deze val-en-zap-strategie verbetert de verwijdering van het eDNA-gen aanzienlijk, duidelijk beter presteren dan commerciële fotokatalysatoren."

De onderzoekers schreven dat conventionele desinfectieprocessen die worden gebruikt bij afvalwaterzuiveringsinstallaties, inclusief chlorering en ultraviolette straling, zijn matig effectief bij het verwijderen van antibioticaresistente bacteriën, maar relatief ineffectief bij het verwijderen van ARG's.

Ze hopen dat hun strategie op industriële schaal kan worden aangepast.

Zhang zei dat het laboratorium nog geen uitgebreide tests heeft uitgevoerd op andere ARG's. "Omdat guanine een veelvoorkomend bestanddeel van DNA is, en dus ARG's, deze benadering zou ook andere eARG's efficiënt moeten afbreken, " hij zei.

Er is ruimte om het huidige proces te verbeteren, ondanks het buitengewone aanvankelijke succes. "We hebben nog niet geprobeerd het fotokatalytische materiaal of het behandelingsproces te optimaliseren, "Zei Zhang. "Ons doel is om proof-of-concept te bieden dat moleculaire imprinting de selectiviteit en werkzaamheid van fotokatalytische processen kan verbeteren om eARG's te targeten."

Qingbin Yuan van Nanjing Tech University, China, is co-hoofdauteur van het artikel. Co-auteurs zijn Rice afgestudeerde studenten Ruonan Sun en Hassan Javed, en Gang Wu, een assistent-professor hematologie aan het Health Science Center van de Universiteit van Texas aan de McGovern Medical School in Houston. Pingfeng Yu, een postdoctoraal onderzoeker bij Rice, is co-corresponderende auteur. Alvarez is de George R. Brown hoogleraar civiele techniek en milieutechniek en hoogleraar scheikunde en chemische en biomoleculaire engineering.