Nanobiotische Lebensretter

Nanoröhren, die sich aus Peptidringen aufbauen, könnten eine wirksame neue Waffe gegen antibiotikaresistente Bakterien und die Gefahr unheilbarer Krankheiten sein.

Ähnlich einem molekularen Donut sinkt ein 2,5-Nanometer-Ring aus maßgeschneiderten Aminosäuren in die Zellwand von a Staphylococcus aureus Bakterium, einem der antibiotikaresistenten Stämme, die für lebensbedrohliche Krankenhausinfektionen verantwortlich sind.

Millionen weitere dieser klebrigen, donutförmigen zyklischen Peptide – jedes eine geschlungene Kette von Aminosäuren – dringen in die gallertartige Zellwand des Bakteriums ein. Sie ziehen chemisch aufeinander zu und fügen sich zu länglichen Röhren zusammen, wie Stapel winziger Reifen, die in die Zellmembran eingebettet sind.



Einzelne Peptidröhrchen durchstoßen dann die Membran. Gruppen benachbarter Röhren arbeiten zusammen, um noch größere, klaffende Poren in der Zellwand zu öffnen. Innerhalb von Minuten töten zahlreiche Löcher das Bakterium, indem sie das elektrische Potenzial seiner Membran unterbrechen, wodurch die innere Maschinerie der Zelle effektiv abgeschaltet wird.

Tödliche Injektoren

Entwickelt von einem Team unter der Leitung von M. Reza Ghadiri am Scripps Research Institute in La Jolla-CA, können diese nanobiotischen Lebensretter möglicherweise sogar die resistentesten Bakterien abtöten und gleichzeitig Tierzellen verschonen.

Die Weltgesundheitsorganisation schätzt die Gesamtkosten für die Behandlung aller im Krankenhaus übertragenen antibiotikaresistenten bakteriellen Infektionen auf etwa 10 Milliarden US-Dollar pro Jahr.

Während Humanstudien noch zwei bis drei Jahre entfernt sind, hat die Gruppe ihre synthetischen, selbstorganisierenden Peptid-Nanoröhren an Mäusen getestet und tödliche Infektionen mit Methicillin-resistenten ausgeknockt Staphylococcus aureus. Die Peptide sind auch vielversprechend bei der Behandlung einer Vielzahl von tödlichen Bakterienstämmen, einschließlich Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa und Enterococcus faecalis. Sie können sich schließlich als wirksam gegen Pilz- und Parasiteninfektionen erweisen.

Die Peptidringe von Ghadiri, die aus einem neuartigen alternierenden Muster natürlich vorkommender und synthetischer Aminosäuren bestehen, haben Aminosäureseitenketten, die vom Donut nach außen zeigen und auf die Umwelt reagieren.

Diese Sensormoleküle können im Labor schnell umkonfiguriert werden, um die Funktionsweise der Peptide anzupassen. Wir können in etwa zwei Wochen 100.000 Varianten produzieren, sagt Ghadiri. Diese Flexibilität sollte es den Arzneimittelherstellern letztendlich ermöglichen, auszuwählen, auf welche Bakterien sie abzielen, zu kontrollieren, wie sich die Peptide in die Membran einfügen und sich selbst zusammenbauen, und die Toxizität für tierische Zellen im infizierten Wirt minimieren.

Dr. Tomas Ganz, ein experimenteller Pathologe an der medizinischen Fakultät der UCLA, sagt, dass die Arbeit von Ghadiris Gruppe eine potenzielle neue Klasse molekularer intelligenter Waffen darstellt. Er warnt jedoch davor, dass diese Substanzen noch keine Medikamente sind. Sie müssen wirtschaftlich herzustellen sein und sich beim Menschen als wirksam und ungiftig erweisen, sagt er.

Längere Haltbarkeit

Die Geschwindigkeit, mit der sie wirken, und die neuartige Struktur der Peptide sollten es Bakterien erschweren, Resistenzen zu entwickeln, sagt Ghadiri und ebnen den Weg für eine neue Klasse von Medikamenten mit längerer Haltbarkeit. Aber niemand sollte die Anpassungsfähigkeit von Bakterien unterschätzen, warnt er.

Beispiele für Schmetterlingseffekt

Zyklische Peptide werden seit Jahren untersucht. Viele natürliche Peptide schützen gegen Mikroben in Tieren und Pflanzen. Andere Medikamente, die auf zyklischen Peptiden basieren, wie Bacitracin, werden häufig als topische Antibiotika verwendet.

Scripps-Forscher stapelten erstmals im Jahr 1992 zyklische Peptide zu Nanoröhrchen. Zunächst hofften sie, nanoskalige Reagenzgläser für die biochemische Forschung herstellen zu können. Als sie jedoch 1994 die Membranaktivität der Röhrchen bemerkten, konzentrierten sie ihre Entdeckung schnell auf die Behandlung multiresistenter Bakterien.

Aus diesem Grund kann sich Ghadiri glücklich schätzen, dass unsere Arbeit in relativ kurzer Zeit zu etwas Nützlichem für Millionen von Menschen führen kann.

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