Scientists discover how blue and green clays kill bacteria
January 8, 2016
Από την προϊστορική εποχή, οι άνθρωποι χρησιμοποιούσαν άργιλο για ιατρικούς σκοπούς.
Είτε μέσω της κατάποσης, είτε μέσω λασπόλουτρου είτε ως τρόπος να σταματήσει η αιμορραγία από πληγές, ο πηλός έχει βοηθήσει από καιρό να διατηρηθούν οι άνθρωποι υγιείς. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι ορισμένοι άργιλοι έχουν ικανότητες να σκοτώνουν τα μικρόβια, αλλά το πώς αυτά λειτουργούν παραμένει ασαφές.
Μια νέα ανακάλυψη από επιστήμονες του Arizona State University (ASU) δείχνει ότι δύο συγκεκριμένα μεταλλικά στοιχεία στα σωστά είδη αργίλου μπορούν να σκοτώσουν βακτήρια που προκαλούν ασθένειες που μολύνουν ανθρώπους και ζώα.
«Η καινοτομία αυτής της έρευνας είναι διπλή: αναγνώριση του φυσικού περιβάλλοντος του σχηματισμού αργίλων τοξικών για τα βακτήρια και πώς η χημεία αυτών των αργίλων επιτίθεται και καταστρέφει τα βακτήρια», λέει η Enriqueta Barrera, διευθύντρια προγράμματος στο Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών. (NSF) Division of Earth Sciences, το οποίο χρηματοδότησε την έρευνα. «Αυτός ο γεωχημικός μηχανισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη προϊόντων που δρουν σε βακτήρια ανθεκτικά στη θεραπεία με αντιβιοτικά».
Ένας αντιβακτηριακός δούρειος ίππος
«Σκεφτόμαστε αυτόν τον μηχανισμό σαν την επίθεση του Δούρειου ίππου στην αρχαία Ελλάδα», λέει η Lynda Williams, επιστήμονας ορυκτών αργίλου στο ASU. “Δύο στοιχεία στον πηλό λειτουργούν παράλληλα για να σκοτώσουν τα βακτήρια.”
Εξηγεί ότι “ένα μεταλλικό στοιχείο — χημικά μειωμένος σίδηρος, ο οποίος σε μικρές ποσότητες απαιτείται από ένα βακτηριακό κύτταρο για τη διατροφή — ξεγελάει το κύτταρο ώστε να ανοίξει το τοίχωμά του. Στη συνέχεια, ένα άλλο στοιχείο, το αλουμίνιο, στηρίζει το κυτταρικό τοίχωμα ανοιχτό, επιτρέποντας μια πλημμύρα Αυτή η υπερβολική αφθονία σιδήρου δηλητηριάζει το κύτταρο, σκοτώνοντάς το καθώς ο ανηγμένος σίδηρος οξειδώνεται».
Ο επιστήμονας Keith Morrison του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Livermore προσθέτει: «Είναι σαν να βάζεις ένα καρφί στο φέρετρο των νεκρών βακτηρίων».
Ο Morrison είναι ο κύριος συγγραφέας μιας εργασίας που αναφέρει την ανακάλυψη, που δημοσιεύτηκε σήμερα στο περιοδικό Nature Scientific Reports . Ο Williams και ο Rajeev Misra, μικροβιολόγος στο ASU, είναι συν-συγγραφείς.
Από γαλλικό πράσινο πηλό στον μπλε πηλό του Όρεγκον
Μια τυχαία ανακάλυψη ενός φαρμακευτικού πηλού από την Ευρώπη τράβηξε την προσοχή της Williams και την έβαλε σε καλό δρόμο για την πρόσφατη ανακάλυψη. Η Line Brunet de Courssou, μια φιλάνθρωπος με εμπειρία στην κλινική ιατρική στην Αφρική, μετέφερε πληροφορίες για έναν συγκεκριμένο πηλό με πράσινο χρώμα που βρέθηκε κοντά στο σπίτι της παιδικής της ηλικίας στη Γαλλία.
Η Brunet de Courssou είχε πάρει δείγματα του πηλού στην Αφρική, όπου κατέγραψε την ικανότητά της να θεραπεύει το έλκος Buruli, μια δερματοπάθεια που τρώει σάρκα, για ασθενείς στην Ακτή Ελεφαντοστού.
Ο Ουίλιαμς προσπάθησε να εντοπίσει τη θέση του κοιτάσματος πράσινης αργίλου στην κεντρική περιοχή του γαλλικού ορεινού όγκου. Όταν η αναζήτηση αποδείχτηκε ανεπιτυχής, άρχισε συστηματικά να δοκιμάζει άργιλους που πωλούνταν στο διαδίκτυο ως «θεραπευτικοί άργιλοι».
Αφού ανέλυσαν δεκάδες δείγματα, η Williams και η ομάδα της εντόπισαν έναν μπλε πηλό από τους καταρράκτες του Όρεγκον που αποδείχθηκε εξαιρετικά αντιβακτηριδιακός.
Η έρευνα δείχνει ότι δρα ενάντια σε ένα ευρύ φάσμα ανθρώπινων παθογόνων, συμπεριλαμβανομένων ανθεκτικών στα αντιβιοτικά στελεχών όπως ο ανθεκτικός στη μεθικιλλίνη Staphylococcus aureus (MRSA).
Τα χρώματα των αργίλων αντικατοπτρίζουν την προέλευσή τους, λέει ο Williams.
Τα πράσινα και τα μπλε είναι αντιβακτηριδιακές ενδείξεις
Τα πράσινα και τα μπλε των αντιβακτηριακών αργίλων προέρχονται από την υψηλή περιεκτικότητα σε χημικά μειωμένο σίδηρο, σε αντίθεση με τον οξειδωμένο σίδηρο, ο οποίος παρέχει το γνωστό χρώμα σκουριάς που σχετίζεται με πολλούς άργιλους.
Τέτοιοι «μειωμένοι» πηλοί είναι συνηθισμένοι σε πολλά μέρη του κόσμου, συνήθως σχηματίζονται σε στρώματα ηφαιστειακής τέφρας καθώς οι βράχοι αλλοιώνονται από νερό που στερείται οξυγόνου και πλούσιο σε υδρογόνο.
Επειδή οι μπλε και οι πράσινοι πηλοί αφθονούν στη φύση, λέει ο Williams, η ανακάλυψη του πώς λειτουργεί η αντιβακτηριδιακή τους δράση θα πρέπει να οδηγήσει σε εναλλακτικούς τρόπους θεραπείας επίμονων λοιμώξεων και ασθενειών που είναι δύσκολο να αντιμετωπιστούν με αντιβιοτικά.
«Η ανακάλυψη του τρόπου με τον οποίο οι φυσικοί πηλοί σκοτώνουν τα ανθρώπινα παθογόνα», λέει, «μπορεί να οδηγήσει σε νέες οικονομικές χρήσεις τέτοιων αργίλων και σε νέα σχέδια φαρμάκων».
Μέρος της έρευνας αφορούσε τη χρήση της υποστηριζόμενης από NSF εγκατάστασης δευτερογενούς φασματομετρίας μάζας ιόντων .
Since prehistoric times, humans have used clays for medicinal purposes.
Whether through ingestion, mud baths or as a way to stop bleeding from wounds, clay has long helped keep humans healthy. Scientists have found that certain clays possess germ-killing abilities, but how these work has remained unclear.
A new discovery by Arizona State University (ASU) scientists shows that two specific metallic elements in the right kinds of clay can kill disease-causing bacteria that infect humans and animals.
“The novelty of this research is two-fold: identifying the natural environment of the formation of clays toxic to bacteria, and how the chemistry of these clays attacks and destroys the bacteria,” says Enriqueta Barrera, a program director in the National Science Foundation (NSF) Division of Earth Sciences, which funded the research. “This geochemical mechanism can be used to develop products that act on bacteria resistant to antibiotic treatment.”
An antibacterial Trojan horse
“We think of this mechanism like the Trojan horse attack in ancient Greece,” says Lynda Williams, a clay-mineral scientist at ASU. “Two elements in the clay work in tandem to kill bacteria.”
She explains that “one metallic element — chemically reduced iron, which in small amounts is required by a bacterial cell for nutrition — tricks the cell into opening its wall. Then another element, aluminum, props the cell wall open, allowing a flood of iron to enter the cell. This overabundance of iron then poisons the cell, killing it as the reduced iron becomes oxidized.”
Adds scientist Keith Morrison of the Lawrence Livermore National Laboratory, “It’s like putting a nail in the coffin of the dead bacteria.”
Morrison is the lead author of a paper reporting the discovery, published today in the journal Nature Scientific Reports. Williams and Rajeev Misra, a microbiologist at ASU, are co-authors.
From French green clay to Oregon blue clay
A chance discovery of a medicinal clay from Europe caught Williams’ attention and put her on track for the recent discovery. Line Brunet de Courssou, a philanthropist with clinical medicine experience in Africa, passed along information about a particular green-hued clay found near her childhood home in France.
Brunet de Courssou had taken samples of the clay to Africa, where she documented its ability to cure Buruli ulcer, a flesh-eating skin disease, for patients in Ivory Coast.
Williams attempted to locate the site of the green clay deposit in the French Massif Central region. When the search proved unsuccessful, she began systematically testing clays sold online as “healing clays.”
After analyzing dozens of samples, Williams and her team identified a blue-colored clay from the Oregon Cascades that proved to be highly antibacterial.
The research shows that it works against a broad spectrum of human pathogens, including antibiotic-resistant strains such as methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA).
The colors of the clays reflect their origins, Williams says.
Greens and blues are antibacterial clues
The greens and blues of antibacterial clays come from having a high content of chemically reduced iron, as opposed to oxidized iron, which provides the familiar rust color associated with many clays.
Such “reduced” clays are common in many parts of the world, typically forming in volcanic ash layers as rocks become altered by water that is oxygen-deprived and hydrogen-rich.
Because blue and green clays abound in nature, Williams says, the discovery of how their antibacterial action works should lead to alternative ways of treating persistent infections and diseases that are difficult to treat with antibiotics.
“Finding out how natural clays kill human pathogens,” she says, “may lead to new economic uses of such clays and to new drug designs.”
Part of the investigation involved the use of the NSF-supported Secondary Ion Mass Spectrometry Facility.– Cheryl Dybas, NSF (703) 292-7734 cdybas@nsf.gov
— Robert Burnham, ASU (480) 458-8207 robert.burnham@asu.edu
