Les membranes des bactéries infectieuses ne font pas le poids face aux machines moléculaires mises au point à l’université de Rice. Ces machines sont activées par la lumière visible et percent les bactéries, les tuant. Les foreuses pourraient également briser la résistance évoluée des micro-organismes aux antibiotiques en laissant entrer les médicaments. Crédit : Tour Research Group/Université de Rice
Les machines moléculaires qui tuent les bactéries infectieuses ont appris à voir leur mission sous un jour nouveau.
De nouvelles foreuses à l’échelle nanométrique ont été développées et sont efficaces pour tuer les bactéries. Ces nouvelles machines moléculaires sont activées par la lumière visible et peuvent percer les membranes cellulaires des bactéries en deux minutes seulement. Comme les bactéries n’ont pas de défenses naturelles contre ce mécanisme, il pourrait s’agir d’une stratégie utile pour traiter les bactéries résistantes aux antibiotiques.
La dernière itération de forets nanométriques mis au point à l’université Rice sont activés par la lumière visible plutôt que par les ultraviolets (UV), comme dans les versions précédentes. Elles se sont également révélées efficaces pour tuer les bactéries lors de tests sur des infections réelles.
Six variantes de machines moléculaires ont été testées avec succès par le chimiste de Rice James Tour et son équipe. Toutes ont percé des trous dans les membranes de bactéries gram-négatives et gram-positives en deux minutes à peine. La résistance a été vaine pour les bactéries qui n’ont pas de défenses naturelles contre les envahisseurs mécaniques. Cela signifie qu’il est peu probable qu’elles développent une résistance, ce qui pourrait constituer une stratégie pour vaincre les bactéries qui, au fil du temps, se sont immunisées contre les traitements antibactériens standard.
“Je dis aux étudiants que lorsqu’ils auront mon âge, les bactéries résistantes aux antibiotiques feront passer le COVID pour une promenade dans le parc”, a déclaré M. Tour. “Les antibiotiques ne pourront pas empêcher 10 millions de personnes par an de mourir d’infections bactériennes. Mais ceci les arrête vraiment”.
Une image au microscope électronique à transmission montre des bactéries Escherichia coli à différents stades de dégradation après exposition à des foreuses moléculaires activées par la lumière, développées à l’Université Rice. Ces machines sont capables de percer les membranes des bactéries résistantes aux antibiotiques, les tuant en quelques minutes. Crédit : Image de Matthew Meyer/Rice University
L’étude révolutionnaire menée par Ana Santos et Dongdong Liu, deux anciens étudiants de l’université Rice, sera publiée aujourd’hui (1er juin 2022) dans la revue “The Journal”. Science Advances.
L’exposition prolongée aux UV pouvant être dommageable pour l’homme, le laboratoire de Rice a affiné ses molécules pendant des années. La nouvelle version tire son énergie d’une lumière encore bleue à 405 nanomètres, faisant tourner les rotors des molécules 2 à 3 millions de fois par seconde.
C’est été suggéré par d’autres chercheurs que la lumière à cette longueur d’onde a des propriétés antibactériennes légères, mais l’ajout de machines moléculaires les suralimente, a déclaré M. Tour, qui a suggéré que les infections bactériennes comme celles dont souffrent les victimes de brûlures et les personnes atteintes de gangrène seront les premières cibles.
Les machines sont basées sur les travaux du prix Nobel de médecine de l’Université de Californie du Sud. Bernard Feringaqui a développé la première molécule avec un rotor en 1999 et a réussi à faire tourner le rotor de manière fiable dans une seule direction. Tour et son équipe ont introduit leurs forets avancés dans une 2017 Nature papier.
Les schémas montrent deux variantes de machines moléculaires activées par la lumière, développées à l’Université de Rice, qui percent et détruisent les bactéries résistantes aux antibiotiques. Ces machines pourraient être utiles pour lutter contre les maladies infectieuses de la peau. Crédit : Tour Research Group/Université de Rice
Les premiers tests des nouvelles molécules par le laboratoire de Rice sur des modèles d’infection de plaies de brûlures ont confirmé leur capacité à tuer rapidement les bactéries, y compris le Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline, une cause courante d’infections de la peau et des tissus mous qui a été responsable de plus de 100 000 décès en 2019.
L’équipe a obtenu l’activation de la lumière visible en ajoutant un groupe d’azote. “Les molécules ont ensuite été modifiées avec différentes amines dans la partie stator (stationnaire) ou rotor de la molécule pour favoriser l’association entre les amines protonées des machines et la membrane bactérienne chargée négativement”, a déclaré Liu, désormais chercheur chez Arcus Biosciences en Californie.
Les chercheurs ont également constaté que les machines brisent efficacement les biofilms et les cellules persistantes, qui deviennent dormantes pour éviter les médicaments antibactériens.
“Même si unUn antibiotique tue la majeure partie d’une colonie, mais il y a souvent quelques cellules persistantes qui, pour une raison ou une autre, ne meurent pas”, explique M. Tour. “Mais ça n’a pas d’importance pour les foreuses”.
Comme pour les versions précédentes, les nouvelles machines promettent également de relancer les médicaments antibactériens considérés comme inefficaces. “Le fait de percer les membranes des micro-organismes permet à des médicaments autrement inefficaces de pénétrer dans les cellules et de surmonter la résistance intrinsèque ou acquise de l’organisme aux antibiotiques”, a déclaré Mme Santos, qui en est à la troisième année de la bourse postdoctorale internationale qui l’a amenée à Rice pendant deux ans et qui se poursuit à l’Institut de recherche sur la santé des îles Baléares à Palma, en Espagne.
Le laboratoire travaille à un meilleur ciblage des bactéries afin de minimiser les dommages causés aux cellules de mammifères en liant des étiquettes peptidiques spécifiques aux bactéries aux forets pour les diriger vers les agents pathogènes d’intérêt. “Mais même sans cela, le peptide peut être appliqué à un site de concentration bactérienne, comme dans la zone d’une plaie de brûlure”, a déclaré Santos.
Référence : “Les machines moléculaires activées par la lumière sont des antibactériens à large spectre à action rapide qui ciblent la membrane” 1er juin 2022, Science Advances.
DOI : 10.1126/sciadv.abm2055
Les coauteurs sont les anciens étudiants de Rice Anna Reed et John Li, le senior Aaron Wyderka, les étudiants diplômés Alexis van Venrooy et Jacob Beckham, le chercheur Victor Li, les anciens postdoctorants Mikita Misiura et Olga Samoylova, le chercheur Ciceron Ayala-Orozco, le maître de conférences Lawrence Alemany et Anatoly Kolomeisky, professeur de chimie ; Antonio Oliver de l’Institut de recherche sur la santé des îles Baléares et de l’hôpital universitaire Son Espases, Palma, Espagne ; et George Tegos de Tower Health, Reading, Pennsylvanie.
Tour est le professeur de chimie T.T. et W.F. Chao et professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie.
Le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne (843116), le Discovery Institute et la Robert A. Welch Foundation (C-2017-20190330) ont soutenu cette recherche.
