Nebraska-forskere konverterer planteavfall til antimikrobielle midler som kan bidra til å forhindre patogene infeksjoner og død, samtidig som de dramatisk reduserer kostnadene ved antimikrobielle behandlinger og er en velsignelse for bioøkonomien.

Antibiotikaresistens utgjør et stort folkehelseproblem. FN har anslått at medikamentresistente sykdommer kan være ansvarlige for 10 millioner dødsfall per år innen 2050. I følge Centers for Disease Control and Prevention bruker USA rundt 55 milliarder dollar hvert år for å bekjempe antibiotikaresistens. Utfordringen ligger ikke bare i behovet for nye typer antibiotika, men også i behovet for effektive antimikrobielle belegg og desinfiserende løsninger. Faktisk stammer mange medikamentresistente infeksjoner fra berøringsoverflater, helseutstyr og implantater på sykehus, så vel som avløpsvannbehandlingssystemer.

Forskere jobber med å utvikle nye typer antimikrobielle midler for å løse problemet og har hatt en viss suksess med syntetiske materialer, som er effektive, men ofte dyre – og hvis bruk og avhending kan skade miljøet.

«Hvis vi kan designe rimelige, svært effektive antimikrobielle stoffer ved bruk av grønne og miljøvennlige materialer, kan vi få det beste fra begge verdener,» sa Shudipto Dishari, førsteamanuensis i kjemisk og biomolekylær ingeniørvitenskap ved Ross McCollum.

Som en del av dette oppdraget undersøker Disharis forskning hvordan lignin, en naturlig rikelig polymer og en hovedkomponent i plantecellevegger, kan transformeres for å lage nye antimikrobielle stoffer. Teamets konklusjoner, beskrevet i Journal of Sustainable Chemistry and Engineering fra American Chemical Societyer lovende og deres arbeid presenteres nå av tidsskriftet som et komplement forsidehistorie.

I dette arbeidet modifiserte Disharis team ligninet til grantrær med kvartær ammonium, en positivt ladet funksjonell gruppe som brukes til å drepe bakterier, virus og mugg. Modifikasjonen ble gjort i vann som sørget for en grønn syntese. Teamet testet deretter dette lignin-avledede antimikrobielle stoffet, kalt QAL, på en stamme av E. Antibiotika-resistente coli som forårsaker urinveisinfeksjoner. De positivt ladede gruppene av QAL gjorde at ligninet lett kunne angripe og forstyrre bakterienes ytre hud som er betydelig negativt ladet.

«Selv om antibiotikaresistente bakterier er intelligente nok til å beskytte seg mot virkningen av konvensjonelle medisiner, kan de ikke beskytte seg mot de uspesifikke effektene forårsaket av QAL,» sa Dishari.

Som et resultat dør antibiotikaresistente bakterier og kan ikke lenger vokse når de behandles med QAL. Samtidig viste QAL ingen signifikant toksisitet mot humane embryonale nyreceller, noe som indikerer dets potensial for sikker bruk.

Lignin er ikke bare en viktig komponent i landbruksavfall, men også et biprodukt fra tremasse- og papirfabrikker og bioraffinerier. Hvert år produseres mer enn 100 millioner tonn lignin på verdensbasis, hvorav det meste brennes eller kastes.

«Ved å konvertere uutnyttet landbruks-/prosessavfall som lignin til verdiøkende antimikrobielle stoffer, kan vi redusere kostnadene for antimikrobielle behandlinger og belegg i storskala applikasjoner betydelig,» sa Dishari. «Fra et bredere perspektiv kan bærekraftig og skalerbar produksjon av effektive og rimelige antimikrobielle stoffer fra ligninavfall bidra til å støtte tremasse- og papirindustri, bioraffinerier og landbruksgårder, samt støtte bioøkonomien. »

Et medlem av Disharis team, doktorgradsstudent Karen Acurio Cerda, sa at resultatene fremhever det hun husker å ha lært i klassen.

«Denne naturen har funnet ut så mye allerede, og vi trenger bare å ta hensyn til den,» sa Cerda.

Selv om forskningen brukte lignin fra gran, sa Dishari at dette åpner for store muligheter for å takle antibiotikaresistens med grønne materialer.

«Den kjemiske strukturen til lignin kan variere avhengig av plantekilden, men vi er klare til å ta på oss denne utfordringen som en spennende mulighet til å leke med ligninkjemi og designe et bredt spekter av svært effektive antimikrobielle midler,» sa han.Dishari sa.

Andre medlemmer av Disharis team og medforfattere av artikkelen er Karen Acurio Cerda, Mark Kathol og Ehsan Zamani, doktorgradsstudenter i kjemisk og biomolekylær ingeniørfag; Rajib Saha, Richard L. og Carol S. McNeel, førsteamanuensis i kjemisk og biomolekylær ingeniørvitenskap; Gunjan Purohit, postdoktor i biokjemi; Oleh Khalimonchuk, Susan J. Rosowski professor i biokjemi; og Martha D. Morton, forskningsprofessor i kjemi.