Модификация сигнальных молекул для предотвращения «общения» бактерий

Бактерии, такие как патогенный Pseudomonas aeruginosa, образуют устойчивые сообщества — биоплёнки, которые защищают их от иммунной системы и биоцидов. Новый подход для предотвращения колонизации поверхностей разработали учёные из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце и Федерального института гидрологии в Кобленце. В его основе — наночастицы диоксида церия (CeO₂).

Как бактерии общаются и формируют биоплёнки

Бактерии в сообществах «общаются» с помощью сигнальных молекул (аутоиндукторов). Когда концентрация бактерий и этих молекул достигает порогового значения, активируются процессы формирования биоплёнки. В природе некоторые организмы борются с этим, «заглушая» бактерии: ферменты, например галопероксидазы, модифицируют (галогенируют) сигнальные молекулы. Модифицированные молекулы ещё могут связываться с рецепторами бактерий, но не запускают каскад реакций для образования биоплёнки.

Наночастицы CeO₂ как искусственные ферменты

Исследователи показали, что наночастицы CeO₂ могут функционально заменять природные галопероксидазы. В статье в ACS Nano они детально описали молекулярный механизм этого процесса.

В модельных реакциях были идентифицированы галогенированные сигнальные молекулы. При анализе бактериальных культур с помощью хроматографии и масс-спектрометрии обнаружилось также образование галогенированных молекул из семейства хинолонов. Это доказывает, что наночастицы CeO₂, подобно природным ферментам, вмешиваются в биологические процессы, модифицируя и инактивируя сигнальные молекулы.

Практическое применение и преимущества

• Безопасность и стабильность: CeO₂ нетоксичен, химически стабилен и уже используется, например, в автомобильных катализаторах.
• Альтернатива биоцидам: Наночастицы предлагают экономичную и экологически совместимую альтернативу обычным биоцидам.
• Предотвращение инфекций: Галогенированные хинолоновые сигнальные молекулы подавляют образование колоний у таких опасных бактерий, как P. aeruginosa и Staphylococcus aureus (включая его устойчивые формы).
• Борьба с резистентностью: Главная опасность использования антибиотиков и биоцидов — развитие устойчивости у бактерий. Покрытие полимеров наночастицами CeO₂ имитирует природную защитную систему и позволяет эффективно предотвращать образование биоплёнок, не вызывая резистентности.

Вывод: Наночастицы диоксида церия открывают путь к созданию нового поколения антибактериальных поверхностей для бытового и медицинского применения, работающих по принципу «заглушения» бактериальной коммуникации.