Pearl in der Wissenschaft (1) - Untersuchung der bakteriellen Resistenz gegen antimikrobielle Wirkstoffe
Schmid et al. untersuchten Ionen-Lipid-Paare als Stellvertreter für die Chemie, die an der Entwicklung antimikrobieller Resistenzen in Bakterien beteiligt ist [1]. Für den Krankheitserreger Staphylococcus aureus ist bekannt, dass die vermehrte Bildung eines kationischen Lipids bereits in relativ geringen Konzentrationen die Wirkung kationischer antimikrobieller Peptide auf das Bakterium einschränkt. Diese Resistenz beruht auf einer ionischen Wechselwirkung zwischen einer negativ geladenen funktionellen Phosphatgruppe in der Bakterienmembran und einer positiv geladenen Aminogruppe im Lipid. Schmid und seine Mitarbeiter untersuchten deshalb die Wechselwirkung zwischen einem Organophospholipid (Dipalmitoylglcero-3-phosphoglycerol, DPPG) und einer quaternären Ammoniumverbindung (Dihexadecyldimethylammonium, DHDAB) in wässriger Lösung. Durch die Untersuchung einfacher chemischer Analoga für komplexere biologische Systeme können Erkenntnisse gewonnen werden, die zur Entwicklung neuer antimikrobieller Wirkstoffe beitragen können. Erstere steht stellvertretend für die bakterielle Membran und letztere für das kationische Lipid. DHDAB wurde von den Autoren sorgfältig ausgewählt, um funktionelle Gruppen zu vermeiden, die die PO-Peaks von DPPG im FTIR-Spektrum verdecken könnten.
Nach Subtraktion der Wasser-Lösungsmittel-Peaks wurden klare Peaks bei 1221 und 1201 cm-1 beobachtet, die den funktionellen PO-Gruppen zugeordnet wurden. Das Verhältnis dieser beiden Peaks wurde in Abhängigkeit von der Konzentration gemessen, wobei der Peak bei 1221 cm-1 im Verhältnis zum Peak bei 1201 cm-1 zunahm, wenn das molare Verhältnis von DPPG:DHDAB verringert wurde. Diese Änderung des Peakverhältnisses ist ein direkter Beweis für die Bildung des Ionenpaares.
Weitere Veränderungen des Spektrums wurden auch im Bereich der C-H-Streckschwingungen (3000-2800 cm-1) beobachtet, als das molare Verhältnis angepasst wurde. Anfangs, als die relative Konzentration von DHDAB erhöht wurde, verschoben sich die CH2-Peaks mit zunehmender Konzentration von DHDAB langwellig, was auf eine Zunahme der Ordnung und eine dichtere Packung der Alkylketten hinweist. Bei relativen Molverhältnissen von > 0,5 DHDAB kehrte sich der Trend um, und die Peaks begannen sich kurzwellig zu verschieben, was auf eine Abnahme der Ordnung und eine Zunahme des Gauche-Konformers hinweist. Diese Veränderungen wurden den intermolekularen Van-der-Walls-Kräften zwischen den Alkylketten der beiden Ionen zugeschrieben. Dies deutet darauf hin, dass die Wechselwirkung in den antimikrobiell resistenten Bakterien möglicherweise nicht nur auf die Ionenbindung zwischen dem Membranphosphat und dem Amin beruht. Dies erklärt, warum ein geringer relativer Anstieg der Aminkonzentration in den Bakterien einen so großen negativen Effekt auf die Bindung zwischen dem antimikrobiellen Wirkstoff und den Bakterien haben kann. Diese Erkenntnisse werden sich hoffentlich als wertvoll im Kampf gegen dieses Bakterium erweisen, indem neue Therapeutika entwickelt werden, die auf diese spezifische Art der Resistenz abzielen.
In der Studie bot eine Pearl mit einer 25 μm CaF2 Oyster-Küvette einen einzigartigen Vorteil: Bei Konzentrationen, die sich einem 50:50-Gemisch aus Anionen und Kationen nähern, koagulieren die Ionenpaare und bilden eine beträchtliche Menge an Sediment. In einer herkömmlichen Küvette, in der das Sediment zu Boden sinkt, könnte dies zu fehlerhaften Daten führen. Durch das innovative Design, bei dem die Küvette um 90 Grad gedreht und horizontal im IR-Strahl gehalten wird, wird jegliche Sedimentation im IR-Strahl zurückgehalten und als Teil der Messung analysiert.
[1] Schmid, M., Wölk, C., Giselbrecht, J., Chan, K.L.A. & Harvey, R.D., Colloids Surf. B, 169, (2018), 298-304. DOI:10.1016/j.colsurfb.2018.05.031
