Исследователи определили физический механизм, который позволяет наночастицам золота эффективно убивать бактерии. Это открытие может привести к более широкому применению в медицине.

В течение некоторого времени было понятно, что определенные наночастицы могут убивать бактерии, но механизм, вызывающий это, до сих пор оставался загадкой. Это не остановило использование наночастиц в качестве антибактериального агента в биомедицинских, промышленных и коммерческих целях. Но лучшее понимание этого антибактериального средства могло бы улучшить методы и расширить и без того впечатляющий спектр приложений.

Команда исследователей из институтов по всему миру, представляющих несколько различных дисциплин, собралась вместе, чтобы сделать это, и исследователи считают, что они нашли ответ на эту загадку. Команда обнаружила, что наночастицы золота обладают токсичным свойством, которое может вызывать механическую деформацию бактерий, которая приводит к разрыву и гибели клеток.

Результаты, которые могут помочь в поиске наноматериалов с антибактериальными свойствами, обсуждаются в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials¹.

Прорыв в знаниях о том, как наночастицы могут бороться с бактериями, жизненно необходим перед лицом надвигающегося кризиса с антибиотиками. Появляются бактерии, которые демонстрируют повышенную устойчивость к антибиотикам в результате как чрезмерного, так и неправильного использования лекарств. Таким образом, альтернативный метод борьбы с бактериями не может появиться достаточно скоро.

Открытие золотого секрета, уничтожающего бактерии

Золото находит широкое применение в медицине, начиная с древней египетской цивилизации. Современные применения этого ценного металла включают лечение рака – возможно, самым впечатляющим из них является его использование в химиотерапии опухолей – и диагностику СПИДа / ВИЧ.

Многие из этих приложений зависят от определенного свойства золота; тот факт, что он химически инертен. Это означает, что он не реагирует при контакте с организмом. Но то, что золотая частица не меняется, не означает, что она не меняет организм. Может – иногда даже ужасающе.

Исследование команды показывает, что инертные наночастицы золота обладают физическим механизмом, который может разорвать клеточную стенку бактерий и убить ее. Они обнаружили это, синтезируя в лаборатории наночастицы золота, которые имели почти идеальную сферическую форму. Команда также создала альтернативные наночастицы золота в форме звезды, пытаясь выяснить, какая форма наиболее эффективна в уничтожении бактерий.

Несмотря на разную форму, наночастицы имели одинаковые размеры – все размером около 100 нанометров, что означает, что вы поместитесь примерно в восемь на ширину человеческого волоса.

Затем команда изучила созданные ими наночастицы, чтобы определить, как они взаимодействуют с живыми бактериями. Они обнаружили, что наночастицы заставили бактерии умирать после того, как испытали серьезную утечку

Выдувание бактерий, как пляжный мяч

Подозревая, что за разрыв клеточной стенки и гибель бактерий был ответственен физический механизм, команда провела серию численных симуляций. Они были специально разработаны, чтобы показать им, как слой наночастиц может оказывать достаточное механическое напряжение на клеточные стенки бактерий, чтобы разрушить их

Мы обнаружили, что бактерии деформируются и сдуваются, как шар, который выпускает воздух перед смертью в присутствии этих наночастиц. [It was]как если бы клеточная стенка спонтанно взорвалась.

Владимир Баулин, факультет химического машиностроения, Университет Ровира I Вирджили, Испания

Они обнаружили, что механическое действие, вызываемое наночастицами золота, было похоже на приложение давления к баллону, при этом участки клеточной стенки растягивались и деформировались в разных точках, пока бактерии не взорвались.

Затем исследователи перешли от численных моделей к искусственной модели мембраны клеточной стенки. Они использовали это для измерения реакции мембраны при контакте с наночастицами золота.

Команда также обнаружила, что наночастицы почти идеальной сферической формы более эффективно и быстро наносят вред бактериям. Они объяснили это тем, что у них было большее «сродство» и большее взаимодействие с поверхностью клеточной мембраны, чем у их звездообразных собратьев.

Мы обнаружили, что модель спонтанно сжималась, пока не разрушилась полностью. Таким образом подтверждается гипотеза о том, что наночастицы прикладывают механическое растяжение к клеточной мембране бактерий.

Владимир Баулин, факультет химического машиностроения, Университет Ровира I Вирджили, Испания

Это исследование, проведенное Баулином и его командой, в сочетании с их уникальным использованием различных методов моделирования могло помочь биологам и материаловедам наконец понять, как наночастицы уничтожают бактерии. Это, в свою очередь, может помочь в разработке эффективных методов защиты нас от бактерий, вызывающих широкий спектр заболеваний.

Ссылки

¹Linklater. Д. П., Баулин. В. А., Ле Гев. X., Иванова. E. P., и др., [2020]«Антибактериальное действие наночастиц за счет летального растяжения мембран бактериальных клеток», Advanced Materials, [DOI: 10.1002/adma.202005679]

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в их личном качестве, и не обязательно отражают точку зрения AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, владельца и оператора этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью Условий использования этого веб-сайта.