Neue leistungsstarke Mikroskopie zeigt antimikrobielle Proteine, die Bakterien töten

US-amerikanische Forscher haben eine neue leistungsfähige Mikroskopietechnik entwickelt, mit der Proteine ​​in Echtzeit in Bakterien nachgewiesen werden können. Damit werden die tödlichen Mechanismen antimikrobieller Peptide (AMPs) aufgedeckt, die Wissenschaftler als neuen Ansatz zur Behandlung bakterieller Infektionen einsetzen.
Unter der Leitung von Massachusetts Institute of Technology (MIT), Professorin Angela Belcher, modifizierten die Forscher eine bestehende Technologie namens Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie (AFM), um den Beginn des durch AMPs ausgelösten bakteriellen Zelltods in Echtzeit auf einer Zelle zu sehen auf Zellbasis. Sie haben in einer in der Online-Ausgabe von Nature Nanotechnology vom 14. März veröffentlichten Arbeit über ihre Arbeit geschrieben.
In den letzten zwanzig Jahren haben Wissenschaftler nach einer Möglichkeit gesucht, bakterielle Infektionen zu behandeln, indem sie natürlich vorkommende AMPs erhalten, um sie zu töten. Die meisten AMPs töten Bakterien ab, indem sie Löcher in ihre Zellmembranen stanzen und so das empfindliche Gleichgewicht zwischen ihnen und ihrer Umwelt zerstören. Andere AMPs zerstören Bakterien, indem sie in sie eindringen und ihre interne Zellmaschinerie stören.
Es gab ein großes Interesse an der Entwicklung von Medikamenten auf AMP-Basis, um Antibiotika zu ersetzen, aber bisher wurden keine für den Markt zugelassen.
Belcher, der Germeshausens Professor für Werkstoffkunde und Bioingenieurwesen am MIT und Mitglied des MIT-Koch-Instituts für Integrative Krebsforschung, sagte der Presse, dass die neue Art der Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie (AFM) dazu beitragen könnte, die Technik zu perfektionieren die Verwendung von AMP zur Abtötung von Bakterien und auch ein besseres Verständnis dafür, wie Zellen auf Virusinfektionen und andere Arzneimittel reagieren.
Ein Bereich, der lebenswichtig sein könnte, ist zu verstehen, wie Bakterien resistent gegen AMPs werden (bis vor ein paar Jahren Wissenschaftler dachten, sie könnten das nicht, aber jüngste Forschungen haben gezeigt, dass sie es können).
Paul Hansma, Physikprofessor an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara (UCSB), arbeitet seit 20 Jahren an AFM. Er war nicht an der Studie beteiligt und schlug vor, dass die neue Technik verwendet werden könnte, um den Zelltod bei Säugetieren zu untersuchen, zum Beispiel um zu sehen, was passiert, wenn Nervenzellen bei Alzheimer-Patienten sterben.
"Dieses Papier ist ein hoch signifikanter Fortschritt in der modernen Bildgebung von zellulären Prozessen", sagte Hansma.
Hauptautor Dr. Georg Fantner, Postdoktorand in Belchers Labor, der an der UCSB an Hochgeschwindigkeits-AFM gearbeitet hatte, brachte seine Erfahrungen in das MIT ein. Während er und andere Wissenschaftler neue Hochgeschwindigkeits-AFM-Techniken entwickelt hatten, hatten sie diese nicht optimiert, um lebende Zellen zu untersuchen. Dies wurde dann zum neuen Fokus des MIT-Teams.
AFM wurde 1986 erfunden und ist eine Art Rastersondenmikroskopie (SPM), eine Reihe verwandter Technologien zur Abbildung und Messung von Oberflächen bis auf die Ebene von Molekülen und Atomgruppen. Elektronenmikroskopie funktioniert auch in diesem Maßstab, aber es erfordert ein Vakuum, so dass Sie es nicht mit lebenden Proben verwenden können.
Im Mittelpunkt von AFM steht eine mechanische Technologie, die die zu untersuchende Oberfläche mit einer extrem scharfen Spitze (3 bis 50 Nanometer Krümmungsradius) "fühlt", die auf einem flexiblen Ausleger montiert ist, so dass die Spitze der Kontur der Oberfläche folgen kann.
Wenn sich die Spitze über die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts bewegt, unterliegt sie verschiedenen Kräften der Wechselwirkung mit der Oberfläche, die die Bewegung des Auslegers beeinflussen. Diese winzigen Bewegungen werden selektiven Sensoren zugeführt und können als Grundlage für das Sehen der Form und die Untersuchung anderer Eigenschaften der Oberfläche verwendet werden.
Die herkömmliche AFM-Technologie benötigt jedoch mehrere Minuten, um ein Bild zu erzeugen, was es ungeeignet macht, eine Reihe von Ereignissen nacheinander zu betrachten.
Für diese Studie verwendeten die MIT-Forscher einen Cantilever, der etwa 1.000-mal kleiner war als der, der bei konventionellem AFM verwendet wurde. Dadurch konnten sie die Bildgebungsgeschwindigkeit erhöhen, ohne die Bakterien zu schädigen. Ein weiterer Faktor, der dazu beitrug, die Bakterien am Leben zu erhalten, war, dass sie die Messungen in einer Flüssigkeit durchführten.
Durch die Verwendung des neuen AFM-Setups konnte das MIT-Team alle 13 Sekunden mehrere Minuten lang Bilder aufnehmen, während sie sich Bakterien ansahen, die mit einem AMP namens CM15 behandelt wurden.
Sie haben Folgendes geschrieben:
"Die erhöhte Zeitauflösung (13 s pro Bild) ermöglicht die Charakterisierung der Anfangsstadien der Wirkung des antimikrobiellen Peptids CM15 auf einzelne Escherichia coli- Zellen mit Nanometerauflösung."
Sie fanden heraus, dass der AMP-induzierte Zelltod in zwei Phasen auftritt: eine kurze Inkubationszeit, gefolgt von einer "schnelleren Ausführungsphase".
Was sie überraschte war, dass die Inkubationsphase zwischen 13 und 80 Sekunden dauerte.
Co-Autor Roberto Barbero, ein Doktorand im MIT-Team, sagte der Presse:
"Nicht alle Zellen fingen genau zur gleichen Zeit an zu sterben, obwohl sie genetisch identisch waren und gleichzeitig dem Peptid ausgesetzt waren."
Ein Erwin-Schrödinger-Stipendium, die Nationalen Gesundheitsinstitute, das Heeresforschungsamt und die Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft stellten Mittel für die Studie zur Verfügung.
"Kinetik der antimikrobiellen Peptidaktivität, gemessen an einzelnen Bakterienzellen mittels Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie."
Georg E. Fantner, Robert J. Barbero, David S. Grey und Angela M. Belcher.
Nature Nanotechnology, Online veröffentlicht: 14. März 2010.
DOI: 10.1038 / nnano.2010.29
Quelle: MIT, SPM-Website.
Geschrieben von: Catharine Paddock, PhD

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