可用于对抗超级细菌的微型光动力分子“钻头”

       为了应对抗菌素耐药性的挑战，美国莱斯大学的研究人员开发了一种光激活分子机器 (MM)，它可以通过在细菌的细胞膜上钻孔来杀死细菌 (Sci. Adv., doi:  10.1126/sciadv.abm2055 ).  。与传统的化学机制相比，其优势在于细菌不会对这种机械作用机制产生抗药性。

       据世界卫生组织称，抗生素耐药性是当今人类面临的十大全球公共卫生威胁之一。当细菌和其他微生物随着时间的推移而发生变化并且不再对药物产生反应时，耐药性就会产生，从而使感染加重、恢复时间变长甚至死亡。

       “因为细菌已经几乎对所有的常规抗生素产生了耐药性，所以新型抗生素的研究迫在眉睫，”该研究的博士后研究员和第一作者 Ana Luisa Santos 说。“这意味着原本可以通过抗生素常规治疗的感染可能很快就会变得无法治愈。”

图1 分子机器在光激活后钻穿细胞膜的示意图

       为此，Santos和同事提出了一种与抗菌化合物不同的机械方法来杀死细菌。他们在莱斯大学研究的基础上进行研究，该实验证明了由光驱动的 MMs 可以在单个细胞的膜上钻孔。值得注意的是，在最新的迭代中，通过添加氮基团，纳米级钻头由可见光（405 nm）触发，而不是有害的紫外线。

       每个 MM 都由一个桨状的充当转子的原子链组成，安装在一个固定的细胞靶向分子上。它与细菌膜结合，一旦被 LED 光激活，就会发生构象变化，从而以大约 3 MHz 的频率进行单向 360 度旋转。然后，MM 在几分钟内可以刺穿细菌外膜并使其内部的物质外溢出来，最终导致它们死亡。

       “在我们的实验中，分子机器迅速杀死了所有测试的细菌菌株，包括革兰氏阴性和革兰氏阳性以及耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 (MRSA)，” Santos提到。“因此，这些分子机器具有广泛的抗菌活性。”

       为了确保细菌致死不是仅由光照引起的，研究人员在没有 MM 存在的相同条件下进行了对照实验。他们观察到细菌细胞数量仅略有减少，而细菌群在光激活后短短两分钟内就被 MM 完全消除，其效率远远超过了传统抗生素。

       Santos 团队还发现，反复使用 MM（在这种情况下为 20 个周期）不会导致细菌产生耐药性。

图2 上图：显示两种光激活分子机器的示意图。 下图：透射电子显微镜图像显示大肠杆菌暴露于光激活分子钻后处于不同降解阶段。

       对于下一代纳米钻头，研究人员正致力于开发能够专门针对目标病原体（如 MRSA）的 MM，以最大限度地减少对宿主细胞和人体天然微生物群的损害。鉴于需要光才能到达细菌，他们认为 MM 可以治疗皮肤感染，尤其是那些与烧伤有关的感染。

       Santos 表示，烧伤的感染率很高，并且很可能是患者死亡的重要原因。让然而分子机器可以被光激活之后应用于局部伤口，在特定的部位发挥抗菌活性。