Nieoczekiwane piękno, znaczny wzrost mocy przeciwdrobnoustrojowej, gdy fagi tworzą zaskakujące kształty kwiatów

Po obróbce próbek tak zwanych nieformalnie fagów, aby można je było oglądać żywe pod mikroskopem elektronowym, naukowcy ze zdziwieniem zauważyli, że połączyły się w trójwymiarowe kształty, które wyglądają jak słoneczniki, ale mają tylko dwie dziesiąte milimetra średnicy.

Przy odrobinie podpowiedzi natura udostępniła struktury, które eksperci w swojej dziedzinie od dziesięcioleci próbują sztucznie skonstruować – takie, które okazują się 100 razy skuteczniejsze w znajdowaniu nieuchwytnych celów bakteryjnych niż niezwiązane fagi.

Możliwość tworzenia takich struktur otwiera możliwości wykrywania i leczenia wielu form chorób przy użyciu naturalnych materiałów i procesów – twierdzą naukowcy.

Ich pracę wyjaśniono w nowo opublikowanym artykule w czasopiśmie Zaawansowane materiały funkcjonalne.

Początkowe odkrycie było szczęśliwym trafem wynikającym z codziennej pracy laboratoryjnej.

Zamiast poddawać próbki fagów typowym procesom przygotowania, które obejmują temperatury lub rozpuszczalniki zabijające wirusy, główny autor Lei Tian i jego współpracownicy zdecydowali się zamiast tego poddać je działaniu dwutlenku węgla pod wysokim ciśnieniem. Tian, ​​obecnie główny badacz na Uniwersytecie Południowo-Wschodnim w Chinach, kierował badaniami, gdy był doktorantem, a później pracownikiem naukowym podoktorskim w McMaster.

Chociaż badacze są przyzwyczajeni do widoku mikroskopijnych wirusów dokonujących niesamowitych rzeczy, po zabiegu byli zdumieni, gdy zobaczyli, że fagi zgrupowały się w tak złożone, naturalne i bardzo przydatne formy.

„Próbowaliśmy chronić strukturę tego pożytecznego wirusa” – mówi Tian. „To było wyzwanie techniczne, któremu chcieliśmy sprostać. Otrzymaliśmy niesamowitą konstrukcję, którą stworzyła sama natura”.

Naukowcy wykonali zdjęcia formacji, korzystając z obiektów Kanadyjskiego Centrum Mikroskopii Elektronowej w McMaster, a ostatnie dwa lata spędzili na odkrywaniu procesu i pokazywaniu, w jaki sposób nowe struktury mogą służyć bardzo przydatnym celom w nauce i medycynie.

„To było przypadkowe odkrycie” – mówi współautor artykułu Tohid Didar, inżynier mechanik zajmujący się kanadyjską katedrą badań nad nanobiomateriałami. „Kiedy wyjęliśmy je z komory wysokociśnieniowej i zobaczyliśmy te piękne kwiaty, całkowicie nas zaskoczyło. Dwa lata zajęło nam odkrycie, jak i dlaczego tak się stało, co otworzyło nam drzwi do tworzenia podobnych struktur z innymi białkami materiały na bazie.”

W. W ostatnich latach badacze z laboratorium starszego autora Zeinaba Hosseinidousta, inżyniera chemicznego i biomedycznego, który piastuje kanadyjską katedrę badawczą w dziedzinie bioinżynierii bakteriofagów, poczynili znaczące postępy w badaniach nad fagami, umożliwiając pobudzanie pożytecznych wirusów do łączenia się ze sobą jak żywą, mikroskopijną tkaninę, a nawet żelu widocznego gołym okiem, otwierając nowe możliwości ich zastosowania – szczególnie w wykrywaniu i zwalczaniu infekcji.

Jednak przed nowszym odkryciem nie było możliwe nadanie materiałowi kształtu i głębi, jaką ma teraz poprzez zmarszczki, wierzchołki i szczeliny struktur przypominających kwiaty.

„Tak naprawdę chodzi o budowanie w zgodzie z naturą” – mówi Hosseinidoust. „Ten rodzaj pięknych, pomarszczonych struktur jest wszechobecny w przyrodzie. Właściwości mechaniczne, optyczne i biologiczne tego rodzaju struktur od dziesięcioleci inspirują inżynierów do sztucznego budowania tego rodzaju struktur w nadziei uzyskania takich samych właściwości ich.”

Teraz, gdy wywołali taką transformację i pomyślnie odtworzyli proces, badacze zdumiewają się nad zbiorową wydajnością, jaką osiągają fagi, łącząc się ze sobą i przybierając takie formy, a także badają sposoby wykorzystania tych samych właściwości.

Porowate, przypominające kwiaty struktury fagów są 100 razy lepsze niż ich niezwiązane odpowiedniki w znajdowaniu rozproszonych, rozproszonych celów nawet w złożonych środowiskach, co autorom udało się udowodnić, mieszając je z DNAzymami stworzonymi przez ich kolegów zajmujących się badaniami nad chorobami zakaźnymi i stosując formacje przypominające kwiaty, aby znaleźć niskie stężenie bakterii Legionella w wodzie z komercyjnych wież chłodniczych.

Bakteriofagi ponownie pojawiają się w leczeniu wielu form infekcji, ponieważ można je zaprogramować tak, aby atakowały określone bakterie, pozostawiając inne w spokoju.

Prace w tej dziedzinie ustały po wprowadzeniu penicyliny w połowie ubiegłego wieku, ale w miarę jak oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe w dalszym ciągu zmniejsza skuteczność istniejących antybiotyków, inżynierowie i naukowcy, w tym badacze z McMaster, ponownie skupiają się na fagach.

Odkrycie procesu, który powoduje, że łączą się w kształty kwiatów, może zwiększyć ich i tak już imponujące właściwości, zarówno w zakresie wyszukiwania i zabijania docelowych bakterii, jak i służenia jako rusztowanie dla innych pożytecznych mikroorganizmów i materiałów.

„Natura jest tak potężna i inteligentna. Naszym zadaniem, jako inżynierów, jest nauczenie się, jak ona działa, abyśmy mogli okiełznać takie procesy i zastosować je” – mówi Hosseinidoust.

„Możliwości są nieograniczone, ponieważ teraz możemy tworzyć konstrukcje przy użyciu biologicznych elementów budulcowych”.