Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie synthetische Zellen schädliche Bakterien bekämpfen

19.08.2019

Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialen in Aachen entwickelten gemeinsam mit Kollegen und Kolleginnen an der University of Pennsylvania, der Temple University, der RWTH Aachen und vom Max-Planck-Institut für medizinische Forschung ein außergewöhnliches Konzept für die Bekämpfung schädlicher Bakterien. Resultat ihrer jüngsten Arbeit, deren Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nano Letters (1) veröffentlicht wurden, sind künstliche Zellen, die Bakterien aufspüren und verschlingen können.

Mit diesen künstlichen phagozytischen Zellen verfolgt das Team einen neuen Ansatz zur Behandlung bakterieller Infektionen als Alternative zur Therapie mit Antibiotika. Teilweise haben Bakterien jedoch bereits Resistenzen gegen Antibiotika entwickelt und gedeihen in deren Gegenwart sogar besonders gut.


Mikroskopbilder zeigen, wie synthetische Zellen (rot) ein lebendes Bakterium auffressen (blau).

Copyright: ACS Nano Letters

Bereits jetzt sterben weltweit jährlich 700.000 Menschen aufgrund antibiotikaresistenter Keime und Schätzungen zufolge könnte diese Zahl in den kommenden Jahren dramatisch ansteigen; die Rede ist sogar von 10 Millionen Fällen im Jahr 2050 (2).

"Antibiotika und andere antimikrobielle Wirkstoffe sind so konzipiert, dass sie bestimmte Strukturen in Bakterien angreifen. Doch die Bakterien entwickeln sich weiter und können dagegen immun werden. Unser Ansatz unterscheidet sich radikal von der Behandlung mit Antibiotika. Unsere künstliche Zelle frisst das gesamte Bakterium in einem einzigen Bissen auf und gibt ihm nicht die Möglichkeit, Resistenzen zu entwickeln", sagt Dr. Cesar Rodriguez-Emmenegger, Leiter dieser Forschungsarbeit.

Im ersten Schritt bindet das Bakterium an die Membran der synthetischen Zelle, woraufhin sich die Membran einstülpt und das Bakterium schließlich komplett umgibt. Es entsteht eine Struktur, die dem Verdauungssack von Makrophagen ähnelt. Sobald das Bakterium von der Membran der synthetischen Zelle umschlossen ist, kann es sich nicht mehr vermehren oder Biofilme bilden. Nun kann das Bakterium innerhalb der synthetischen Zelle abgetötet werden. Giftige Abbaustoffe werden auf diese Weise vom umliegenden Gewebe ferngehalten.

„Als wir diesen Vorgang zum ersten Mal unter dem Mikroskop beobachten konnten und gesehen haben, dass unser Ansatz funktioniert, waren wir extrem begeistert“, sagt Wissenschaftlerin Dr. Nina Kostina. "Die ganz besonderen Eigenschaften der Membran der synthetischen Zellen schaffen die Voraussetzungen für den Prozess“, erklärt Dr. Khosrow Rahimi, der ebenfalls am Forschungsprojekt mitwirkt.

„Die Membran muss einerseits die Bakterien binden können und muss andererseits sehr elastisch sein, damit sie sich einstülpen und das Bakterium umschließen kann. Darüber hinaus muss die Membran im biologischen Milieu stabil bleiben.“  Die Kombination dieser Eigenschaften in einer einzigen Membran war die größte Herausforderung  bei der Entwicklung der synthetischen Zellen auf Polymer- oder Lipidbasis.

Um diese Herausforderung zu bewältigen, nutzte das Team eine neue Klasse von künstlichen Zellmembranen, bei denen Lipide oder Polymere durch sogenannte Janus-Dendrimere ersetzt wurden. Wie Janus, der römische Gott mit zwei Gesichtern, haben diese Moleküle wasserliebende und wasserabweisende Komponenten. Das führt zur spontanen Bildung künstlicher Zellen, deren Membran wichtige Eigenschaften einer natürlichen Zellmembran aufweist.

"Besonders faszinierend an diesen künstlichen Zellen finden wir die Tatsache, dass wir in der Molekularstruktur der Janus-Dendrimere die Flexibilität und Stabilität der Membran sowie ihre Fähigkeit, Bakterien aufzuspüren und selektiv zu binden, programmieren können", erklärt Kostina. "Jetzt haben wir ein sehr leistungsfähiges Werkzeug, mit dessen Hilfe wir die Wechselwirkungen der Membran mit Bakterien ganz präzise definieren können."

Derzeit arbeitet das Team daran, natürliche Rezeptoren in die synthetische Zelle zu integrieren, um ihnen die Möglichkeit zu geben, zwischen verschiedenen Bakterienstämmen zu unterscheiden (3).  Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen denken, dass ihre synthetischen Zellen durch die Einführung bestimmter Glykosphingolipide oder Proteine, die in natürlichen Zellen vorkommen, in der Lage sein werden, Krankheitserreger selektiv einzufangen und dabei andere Bakterien zu ignorieren.

Rodriguez-Emmenegger arbeitet derzeit zusammen mit Prof. Dr. Martin Möller und Prof. Dr. Joachim Spatz – sie sind ebenfalls Koautoren dieser Veröffentlichung – an der Umsetzung dieser Forschung in die medizinische Anwendung. Die künstlichen Zellen sollen zukünftig helfen, den Bakterienbefall auf orthopädischen Implantaten zu reduzieren und so deren chirurgischen Ersatz zu minimieren. Wenn es gelänge, die künstlichen Zellen auf der Oberfläche von Implantaten zu platzieren, könnten sie bestimmte Bakterien ‚einfangen‘ und in ihrem Inneren unschädlich machen, ohne toxische Moleküle freizusetzen. Dies würde letztendlich die Lebensdauer der Implantate verlängern und dem Patienten viel Leid und Kosten ersparen.

Cesar Rodriguez-Emmenegger ist überzeugt, dass dieses Konzept die Entwicklung völlig neuer, intelligenter antimikrobieller Mittel ermöglichen wird. Der biomimetische Mechanismus erzeugt im Gegensatz zu Antibiotika keinen selektiven Druck, der zur Entstehung resistenter Bakterienstämme führen könnte.

(1) N. Kostina, K. Rahimi, Q. Xiao, T. Haraszti, S. Dedisch, J. P. Spatz, U. Schwaneberg, M. L. Klein, V. Percec, M. Moeller, C. Rodriguez-Emmenegger, Nano Lett 2019, 10.1021/acs.nanolett.9b02349.

(2) Tackling drug-resistant infections globaly: final report and recommendations, The review on antimicrobial resistance chaired by Jim O’Neill, 2016. https://amr-review.org

(3) C. Rodriguez-Emmenegger, et al, Proc Natl Acad Sci U S A 2019, 116, 5376-5382

 

Bildmaterial:

Mikroskopbilder zeigen, wie synthetische Zellen (rot) ein lebendes Bakterium auffressen (blau).

Copyright: ACS Nano Letters

Bild in höherer Auflösung: https://gigamove.rz.rwth-aachen.de/d/id/xgHx8RX8MuKc2w

Pressekontakt DWI:

DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien

Dr. Janine Hillmer, hillmer@dwi.rwth-aachen.de, T +49 241 80 23336

Julia Wette, wette@dwi.rwth-aachen.de, T +49 241 80 23349

Dr. Janine Hillmer | DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Erste SARS-CoV-2-Genome aus Österreich veröffentlicht
03.04.2020 | CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften

nachricht Die Mimik der Mäuse
03.04.2020 | Max-Planck-Institut für Neurobiologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Den Regen für Hydrovoltaik nutzen

Wassertropfen, die auf Oberflächen fallen oder über sie gleiten, können Spuren elektrischer Ladung hinterlassen, so dass sich die Tropfen selbst aufladen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben dieses Phänomen, das uns auch in unserem Alltag begleitet, nun detailliert untersucht. Sie entwickelten eine Methode zur Quantifizierung der Ladungserzeugung und entwickelten zusätzlich ein theoretisches Modell zum besseren Verständnis. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte der beobachtete Effekt eine Möglichkeit zur Energieerzeugung und ein wichtiger Baustein zum Verständnis der Reibungselektrizität sein.

Wassertropfen, die über nicht leitende Oberflächen gleiten, sind überall in unserem Leben zu finden: Vom Tropfen einer Kaffeemaschine über eine Dusche bis hin...

Im Focus: Harnessing the rain for hydrovoltaics

Drops of water falling on or sliding over surfaces may leave behind traces of electrical charge, causing the drops to charge themselves. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz have now begun a detailed investigation into this phenomenon that accompanies us in every-day life. They developed a method to quantify the charge generation and additionally created a theoretical model to aid understanding. According to the scientists, the observed effect could be a source of generated power and an important building block for understanding frictional electricity.

Water drops sliding over non-conducting surfaces can be found everywhere in our lives: From the dripping of a coffee machine, to a rinse in the shower, to an...

Im Focus: Quantenimaging: Unsichtbares sichtbar machen

Verschränkte Lichtteilchen lassen sich nutzen, um Bildgebungs- und Messverfahren zu verbessern. Ein Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena hat eine Quantenimaging-Lösung entwickelt, die in extremen Spektralbereichen und mit weniger Licht genaueste Einblicke in Gewebeproben ermöglichen kann.

Optische Analyseverfahren wie Mikroskopie und Spektroskopie sind in sichtbaren Wellenlängenbereichen schon äußerst effizient. Doch im Infrarot- oder...

Im Focus: Sensationsfund: Spuren eines Regenwaldes in der Westantarktis

90 Millionen Jahre alter Waldboden belegt unerwartet warmes Südpol-Klima in der Kreidezeit

Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Geowissenschaftlern des Alfred-Wegener-Institutes, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI)...

Im Focus: A sensational discovery: Traces of rainforests in West Antarctica

90 million-year-old forest soil provides unexpected evidence for exceptionally warm climate near the South Pole in the Cretaceous

An international team of researchers led by geoscientists from the Alfred Wegener Institute, Helmholtz Centre for Polar and Marine Research (AWI) have now...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Interdisziplinärer Austausch zum Design elektrochemischer Reaktoren

03.04.2020 | Veranstaltungen

13. »AKL – International Laser Technology Congress«: 4.–6. Mai 2022 in Aachen – Lasertechnik Live bereits früher!

02.04.2020 | Veranstaltungen

Europäischer Rheumatologenkongress EULAR 2020 wird zum Online-Kongress

30.03.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Erste SARS-CoV-2-Genome aus Österreich veröffentlicht

03.04.2020 | Biowissenschaften Chemie

Projekt »Lade-PV« gestartet: Fahrzeugintegrierte PV für Elektro-Nutzfahrzeuge

03.04.2020 | Energie und Elektrotechnik

Interdisziplinärer Austausch zum Design elektrochemischer Reaktoren

03.04.2020 | Veranstaltungsnachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics