Ученые показали, что токи, измеряемые миллионными долями ампер, убивают бактерии, разрушая их внешние мембраны. Это открытие может вдохновить на создание новых противомикробных технологий, которые используют электричество для замедления распространения инфекций, устойчивых к антибиотикам.

Ученые знали с 1960-х годов, что электричество может убить или подавить рост бактерий. Однако растущая угроза, создаваемая устойчивыми к антибиотикам супербактериями в последние годы, придает дополнительную актуальность поиску новых способов снижения передачи бактерий.

Согласно отчету, опубликованному Центрами по контролю и профилактике заболеваний (CDC) в 2019 году, ежегодно в Соединенных Штатах регистрируется 2,8 миллиона устойчивых к антибиотикам инфекций, что приводит к примерно 35000 смертей.

Большинство ранних исследований бактерицидного действия электричества касалось относительно больших токов или электрических полей. Совсем недавно исследования показали, что ток менее 5 тысячных ампер, приложенный в течение как минимум 72 часов, может убить бактерии, повредив их мембраны.

Но было неясно, как именно электричество уничтожает бактерии и могут ли  более низкие токи работать так же хорошо.

Миллионные доли усилителя

Теперь группа ученых из Университета Арканзаса в Фейетвилле показала, что ток менее 100 миллионных долей ампер или микроампер, приложенный в течение 30 минут, может убить бактерии.

Исследователи обнаружили, что ток действует, разрушая мембраны бактерий, позволяя протеинам, ионам и другим небольшим молекулам проникать в клетки и выходить из них.

Напряжения ниже 1,5 вольт было достаточно для выработки необходимого тока. «Энергия, которую мы использовали, очень мала, - говорит профессор Юн Ван, старший автор нового исследования. «Бытовой аккумулятор может обеспечить достаточно энергии. То же самое и с солнечной панелью площадью 1 сантиметр ».

Полученные данные показывают, что электричество может быть практическим способом непрерывной стерилизации предметов, таких как дверные ручки, к которым люди часто прикасаются. По словам профессора Ванга, токи слишком малы, чтобы нанести вред человеку.

Ученые также могут использовать крошечные токи для подавления образования прочных бактериальных колоний или биопленок на поверхностях в водохранилищах или очистных сооружениях.

Особенности исследования в журнале « Прикладная и экологическая микробиология» .

Протекающие клетки

Для своих экспериментов исследователи использовали пробирки, содержащие раствор бактерии Escherichia coli и пару алюминиевых электродов.

Они применили различные методы для сравнения состояния бактерий в трубках, где напряжение на электродах было включено, и в трубках, где оно было выключено.

Например, они подвергли бактерии воздействию красного флуоресцентного красителя, называемого йодидом пропидия, который окрашивает ДНК, делая ее видимой под микроскопом. Это показало, что большее количество йодида пропидия проникает через мембраны бактерий и связывается с их ДНК после подачи тока.

По словам исследователей, эксперимент демонстрирует, что ионы и другие небольшие молекулы, такие как аминокислоты, проникают в клетки и выходят из них.

Другой метод, называемый фильтрационным анализом, доказал, что даже молекулы размером с белки и нуклеиновые кислоты могут вытекать из клеток после того, как их мембраны были повреждены электрическим током.

Исследователи считают, что ток может разрушить мембрану, изменив нормальное напряжение на ней, известное как мембранный потенциал.

Когда они нанесли на бактерии флуоресцентный краситель MitoTracker Green, их мембраны засветились ярче после воздействия электричества. Хотя это остается предметом споров, говорят авторы, некоторые микробиологи считают, что связывание молекул MitoTracker Green с мембранами зависит от электрического потенциала мембран.

Исследователи приходят к выводу:

«Это исследование подчеркивает, что обработка бактерий электрическим током [менее 100 микроампер] в течение 30 минут вызвала значительное повреждение мембран и привело к двусторонней утечке ионов, небольших молекул и белков. Стоит подчеркнуть, что электрическая мощность, приводящая к серьезному повреждению мембран бактериями, очень низкая, что, как ожидается, облегчит использование электрического тока микроампер (и низкого электрического напряжения) для антимикробных применений ».