Współpraca naukowców z Institute of Bioengineering and Nanotechnology (IBN) w Singapurze oraz grupy z IBM Almaden Research Center wydała owoc w postaci nowego zastosowania odpadów z butelek PET. Wyrzucane każdego dnia na całym świecie miliony pojemników po napojach mogą stanowić cenny surowiec do produkcji środków zwalczających lekooporne szczepy grzybów.
Polimer PET, czyli politereftalan etylenu, (C10H8O4)n z grupy poliestrów jest wykorzystywany przemysłowo jako tworzywo sztuczne, służące do produkcji butelek, opakowań, obudów urządzeń elektronicznych, naczyń oraz elementów ślizgowych i tocznych o dużej stabilności wymiarowej. Tworzywo PET w wielu przypadkach wyparło szkło ze względu na niższą wagę, mniejsze zużycie energii potrzebnej do produkcji, transportu, recyklingu oraz to, że się nie tłucze. Nie stosuje się ich jednak tam, gdzie zawartość wymaga pasteryzacji, gdyż temperatura zeszklenia materiału mieści się w przedziale od 67°C do 81°C, co wpływa na pogorszenie właściwości mechanicznych. Tworzywo charakteryzuje stopień krystaliczności na poziomie 55-73%, temperatura topnienia około 260°C, niereaktywność oraz odporność chemiczna. PET stanowi doskonałą barierę dla wody i wilgoci (niska nasiąkliwość), dlatego jest szeroko stosowany w produkcji butelek. Nieprzetworzony jest bezbarwną, półkrystaliczą żywicą, która po przerobieniu odznacza się dobrą wytrzymałością na rozciąganie (55–75 MPa), sztywnością, twardością, udarnością (3,6 kJ/m^2) i odpornością na ścieranie.
W ostatnich latach zanotowano wiele infekcji grzybiczych u pacjentów z osłabionym układem odpornościowym, np. z powodu raka, infekcji HIV lub po przeszczepie narządu. Spora część zakażeń spowodowana różnymi gatunki grzybów (Candida, Aspergillus i Cryptococcus neoformans) może potencjalnie stanowić śmiertelne zagrożenie dla życia ze względu na skażenie krwi, infekcje płuc i zapalenie opon mózgowych. Dodatkowo, lekooporność wielu drobnoustrojów ciągle wzrasta. Wymaga to szybkiego opracowania odpowiednich, alternatywnych rozwiązań dla konwencjonalnych środków przeciwgrzybiczych. Ponadto większość środków stosowanych obecnie nie przyczynia się do całkowitego zniszczenia grzybów, a jedynie hamuje ich wzrost, co może prowadzić do ponownego zakażenia. Szczególnym wyzwaniem dla naukowców jest fakt, że chorobotwórcze komórki grzybów są pod względem procesów metabolicznych bardzo podobne do komórek ludzkich, co utrudnia ich identyfikację. Istniejące środki przeciwgrzybicze nie są w stanie dokładnie rozróżnić komórek zakażonych od zdrowych, co często kończy się atakiem na te ostatnie. Stąd, efektami ubocznymi leczenia mogą być hemoliza oraz uszkodzenie nerek.
Badacze opracowali materiał w postaci samoorganizujących się, małych, kationowych cząsteczek, które selektywnie atakują komórki grzybicze. Idealnym surowcem okazały się butelki PET, które są źródłem związków tereftalamidu. W połączeniu z pochodnymi mocznika powstały supramolekularne jednostki (złożone z wielu podjednostek) organizujące się w zygzakowate bądź ugięte konstrukcje. Substancja tworząca w wodzie włókniste nanostruktury poprzez oddziaływania elektrostatyczne, zdolna była do wybiórczego przenikania i rozrywania zewnętrznych błon komórek grzyba, a w rezultacie jego zniszczenia. W odróżnieniu od pojedynczych cząsteczek, organizacja w włókna zwiększała lokalne kationowe stężenie i masę związku. Ułatwiało to odnalezienie ujemnie naładowanych chorobotwórczych komórek, nawet przy niskich stężeniach.
Badania in vitro (z łac. na szkle) przeprowadzone na myszach wykazały 99,9% skuteczność nanowłókien w walce z komórkami bezotoczkowego grzyba Candida albicans w grzybiczym zapaleniu rogówki oka po godzinie inkubacji. Ponadto grzyb, który rozwija odporność na konwencjonalne środki po sześciu dawkach, nie uodpornił się na leczenie nanowłóknami nawet po 11 zabiegach. Słabe oddziaływania fizyczne w supercząsteczkach powodują stopniową degradację materiału w miarę upływu czasu. Póki co, nie wywołał on skutków ubocznych u zwierząt, ale wciąż nie został sprawdzony jego wpływ na ludzki organizm. Obecnie naukowcy w ramach projektu opracowują podobny związek, który ma pomóc zwalczyć szczep gronkowca złocistego odpornego na antybiotyki (z ang. methicyllin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA), będącego częstą przyczyną zakażeń wewnątrzszpitalnych.
Źródło:
[1] Supramolecular high-aspect ratio assemblies with strong antifungal activity. Kazuki Fukushima, Shaoqiong Liu, Hong Wu, Amanda C. Engler, Daniel J. Coady, Hareem Maune, Jed Pitera, Alshakim Nelson, Nikken Wiradharma, Shrinivas Venkataraman, Yuan Huang, Weimin Fan, Jackie Y. Ying, Yi Yan Yang & James L. Hedrick. Nature Communications 4, doi:10.1038/ncomms3861
[2] http://www.nature.com/ncomms/2013/131209/ncomms3861/full/ncomms3861.html [17.12.2013]
[3] http://www.nature.com/ncomms/2013/131209/ncomms3861/extref/ncomms3861-s1.pdf [17.12.2013]
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene_terephthalate [17.12.2013]
[5] http://www.a-star.edu.sg/Media/News/Press-Releases/articleType/ArticleView/articleId/1970.aspx [17.12.2013]
[6] http://www.technologyreview.com/news/522271/material-made-from-plastic-bottles-kills-drug-resistant-fungus/ [17.12.2013]
[7] Polyethylene Terephthalate by Ishikawa Ken (chidorian), flickr.com, CC BY-SA 2.0