Naukowcy z McMaster odkryli, że bakteriofagi poddane działaniu określonych warunków tworzą struktury przypominające kwiaty, które są bardzo skuteczne w atakowaniu bakterii, otwierając nowe możliwości leczenia i wykrywania chorób.
Zespół badaczy McMaster, którzy na co dzień pracują z bakteriofagami – wirusami zjadającymi bakterie – dokonał niezwykłego odkrycia podczas przygotowywania preparatów do oglądania pod mocnym mikroskopem.
Po obróbce próbek bakteriofagów, nieformalnie nazywanych fagami, w celu obejrzenia ich żywych pod mikroskopem elektronowym, badacze ze zdziwieniem odkryli, że uformowały się one w trójwymiarowe kształty przypominające słoneczniki, ale o średnicy zaledwie dwóch dziesiątych milimetra.
Przy odrobinie podpowiedzi natura stworzyła dokładnie ten typ struktury, który eksperci w tej dziedzinie próbowali sztucznie stworzyć od dziesięcioleci – struktury, które okazały się 100 razy skuteczniejsze w znajdowaniu nieuchwytnych celów bakteryjnych niż niezwiązane fagi.
Zdaniem naukowców możliwość tworzenia takich struktur otwiera możliwości wykrywania i leczenia wielu form chorób, a wszystko to przy użyciu naturalnych materiałów i procesów.
Wyniki ich badań szczegółowo opisano w nowo opublikowanym artykule w czasopiśmie Zaawansowane materiały funkcjonalne.
Odsłonięcie unikalnych form wirusowych
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.
„Staraliśmy się chronić strukturę tego pożytku wirus– mówi Tian. „To było wyzwanie techniczne, któremu próbowaliśmy sprostać. Otrzymaliśmy tę 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 oszołomiło. Dwa lata zajęło nam odkrycie, jak i dlaczego tak się stało, i otworzyło nam drzwi do tworzenia podobnych struktur z innymi materiałami na bazie białek”.
Wykorzystanie potencjału fagów
W ostatnich latach naukowcy 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 pobudzenie pożytecznych wirusów do łączenia się ze sobą jak żywą, mikroskopijną tkaninę, a nawet do postaci 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 pięknej, pomarszczonej struktury jest wszechobecny w przyrodzie. Właściwości mechaniczne, optyczne i biologiczne tego rodzaju konstrukcji od dziesięcioleci inspirują inżynierów do sztucznego budowania tego rodzaju konstrukcji w nadziei uzyskania z nich takich samych właściwości.
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 tak inteligentna. Naszym zadaniem jako inżynierów jest nauczenie się, jak to działa, abyśmy mogli okiełznać takie procesy i zastosować je” – mówi Hosseinidoust.
„Możliwości są nieograniczone, ponieważ teraz możemy tworzyć konstrukcje przy użyciu biologicznych elementów budulcowych”.
Odniesienie: „Biofunkcjonalne mikromacierze złożone z wirusów z hierarchiczną siecią nanosiatkową 3D” autorstwa Lei Tian, Shadman Khan, Amid Shakeri, Kyle Jackson, Ahmed T. Saif, Fereshteh Bayat, Leon He, Jimmy Gu, Yingfu Li, Tohid F. Didar i Zeinab Hosseinidoust, 17 października 2024 r., Zaawansowane materiały funkcjonalne.
DOI: 10.1002/adfm.202414375
