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항생물막 활성을 갖는 박테리아 협막 다당류는 일반적인 생물물리학적 및 동전기학적 특성을 공유합니다.

Jul 17, 2023Jul 17, 2023

Nature Communications 14권, 기사 번호: 2553(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

박테리아 생물막은 항균제에 대한 높은 내성으로 인해 근절하기 어려운 표면에 부착된 공동체입니다. 박테리아 병원체의 초기 부착 및 응집을 방지하기 위해 비살생물성 표면 활성 화합물을 사용하는 것은 항생제 치료에 대한 유망한 대안이며 다양한 박테리아에 의해 방출되는 일부 피막 다당류를 포함하여 여러 항생물막 화합물이 확인되었습니다. 그러나 이러한 폴리머의 활성에 대한 화학적, 기계적 이해가 부족하여 생물막 형성을 제어하는 ​​데 사용이 제한됩니다. 여기에서 우리는 31개의 정제된 협막 다당류 컬렉션을 선별하고 먼저 대장균 및/또는 황색포도상구균 생물막에 대해 비살생물 활성을 갖는 7개의 새로운 화합물을 식별합니다. 우리는 적용된 전기장 조건에서 21개의 피막 다당류 하위 집합의 전기 영동 이동성을 측정하고 이론적으로 해석하며 활성 및 비활성 다당류 중합체가 뚜렷한 동전기적 특성을 나타내고 모든 활성 거대 분자가 높은 고유 점도 특징을 공유한다는 것을 보여줍니다. 항생물막 특성과 관련된 특정 분자 모티프가 부족함에도 불구하고 고밀도의 정전기 전하 및 유체 흐름에 대한 투과성을 포함한 기준을 사용하면 광범위한 항생물막 활성을 갖는 두 개의 추가 피막 다당류를 식별할 수 있습니다. 따라서 우리의 연구는 활성 다당류와 비활성 다당류를 구별하는 주요 생물물리학적 특성에 대한 통찰력을 제공합니다. 항생물막 활성과 관련된 독특한 동전기적 특성의 특성화는 의료 및 산업 환경에서 생물막 형성을 제어하기 위해 비살생물성 표면 활성 거대분자를 식별하거나 조작하는 새로운 관점을 열어줍니다.

박테리아 생물막은 표면에 광범위하게 부착되거나 응집된 박테리아로 의료 또는 산업 표면에서 발달할 때 인간 활동에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다1,2. 항생제에 대한 내성이 높기 때문에 생물막은 근절하기 어렵고 생물막 관련 감염의 예방은 주요 건강 및 경제적 문제입니다3,4. 생물막 형성을 방지하기 위한 전략은 종종 광범위한 항생제나 중금속과 같은 살생물제로 코팅된 표면을 사용하여 박테리아 부착의 초기 단계를 표적으로 삼습니다5. 이러한 살생물적 접근법은 죽은 박테리아와 유기 잔해의 급속한 축적으로 인해 제한되며, 이는 새로운 유입 세포에 대한 코팅된 표면의 활동을 감소시킵니다. 더욱이, 항생제와 같은 살생물제를 방출하는 표면의 사용은 걱정스러운 항생제 내성 선택과 관련이 있습니다6.

여러 연구에 따르면 비항생제 유착 방지 전략도 박테리아 생물막 형성을 효율적으로 방해할 수 있는 것으로 나타났습니다7,8,9,10,11,12,13,14. 유착 방지 표면 특성을 지닌 생체 영감 소재의 설계는 환자 치료 장비를 병원체 집락화로부터 보호하여 초기 표면 접촉부터 후속 박테리아-박테리아 상호 작용에 이르기까지 감염의 주요 단계를 방해하는 효과적인 솔루션을 구성하기 위해 제안되었습니다15,16 ,17. 박테리아 통신을 방해하는 쿼럼 감지 억제제를 사용하여 생물막을 방지 및/또는 방해하는 접근법을 포함하여 비살생물 및 생물 기반 전략도 적극적으로 탐구됩니다18. 박테리아는 또한 습윤성 및 전하와 같은 물질 표면 특성을 변경하는 생물계면활성제를 분비합니다19,20. 이러한 표면 활성 화합물은 표면 접촉을 감소시키고 박테리아 운동성에 기여하거나 박테리아 간의 경쟁적 상호 작용에 관여합니다12. 이들 분자 중 다수가 작은 지질펩티드에 해당하는 반면, 최근 연구에서는 다양한 박테리아에 의해 방출된 고분자량 협막 다당류가 광범위한 그람+ 및 그람- 박테리아에 의한 후속 세포 응집 및 생물막 형성으로 이어지는 부착을 방지할 수 있음을 보여주었습니다. 여기에는 Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis 및 Enterococcus faecalis7,9,11,21,22,23,24와 같은 여러 병원 병원체가 포함됩니다.

7 dl/g) intrinsic viscosity (Supplementary Fig. 5). Moreover, molecular weight Mw and intrinsic viscosity [η] of polysaccharides with intermediate narrow-spectrum activity (PnPS18C and PnPS12F) cover range of values measured for both broad-spectrum active and non-active macromolecules. To determine whether high intrinsic viscosity could be indicative of potential antibiofilm activity, we screened additional purified bacterial capsular polysaccharides of our collection and we identified two such non-biocidal polysaccharides, MenY and MenW135 (Supplementary Fig. 3), presenting high intrinsic viscosity (Table 1 and Supplementary Fig. 5). Although MenY and MenW135 differ in their primary composition from Vi, MenA, MenC, and G2cps, they both exhibited similar broad-spectrum antibiofilm activity (Fig. 4 and Supplementary Fig. 6). These results indicated that specific polysaccharide conformation, reflected by a high intrinsic viscosity29, could be a determinant of antibiofilm activity./p>30 mM). This property is the direct consequence of the penetration of the electroosmotic flow within the charged polysaccharide globular structure33. Further qualitative inspection of the sets of electrokinetic data collected for the polysaccharides of interest revealed two main electrokinetic patterns. The first one corresponded to the 11 tested inactive macromolecules whose electrophoretic mobility systematically tends to a value of μ* satisfying 0.5 < │μ*│ <1.5 × 10−8 m2 V−1 s−1. For these macromolecules, the absolute value of the electrophoretic mobility decreases with increasing electrolyte concentration as a result of screening of the polysaccharide charges by the electrolyte ions. This feature is also shared by the active macromolecules (PnPS3, PRP and G2cps) with the noticeable difference that their asymptotic mobility value │μ*│ is significantly larger with μ* now satisfying the inequality │μ*│ >2 × 10−8 m2 V−1 s−1 (Fig. 5A). The second observed electrokinetic pattern applies to macromolecules with narrow (PnPS18C and PnPS12F) or broad-spectrum (Vi, MenA, MenC, MenY and MenW135) activities for which the electrophoretic mobility μ moderately or poorly depends on background electrolyte concentration. Strikingly, active macromolecules with narrow-spectrum antibiofilm activity are defined by electrophoretic mobilities (│μ*│ <0.5 × 10−8 m2 V−1 s−1) that are much lower in magnitude compared to those measured for broad-spectrum antibiofilm polysaccharides (Vi, MenA, MenC, MenY, and MenW135, │μ*│ >1.5 × 10−8 m2 V−1 s−1) (Fig. 5B). These results demonstrated clearly that active capsular polysaccharides are characterized by a specific electrokinetic signature./p>