Krila cikade mogu ubiti i ukloniti bakterije, a sada su istraživači koristili simulacije za proučavanje funkcija tupih šiljaka na njihovoj površini, sa nekim iznenađujućim nalazima.
Razumevanje ovog prirodnog procesa moglo bi da reši značajan izazov zdravstvene zaštite. Medicinski uređaji poput katetera omogućavaju kolonizaciju mikroba i formiranje biofilma tako što obezbeđuju površinu za koju se bakterije mogu držati, tako da naučnici razvijaju efikasnije baktericidne površine.
Istraživači su ranije proučavali hemijske i fizičke karakteristike krila cikade i vretenca, ali mnogo toga nije jasno o njihovim antibakterijskim svojstvima, poput načina na koji uklanjaju tragove svojih bakterijskih žrtava.
„U ovom trenutku znamo da krilo cikada može da spreči adheziju bakterija, ali mehanizam nije jasan“, kaže Tadanori Koga, hemijski inženjer na Univerzitetu Stoni Bruk u Njujorku.
Nakon što je pročitala istraživanje iz 2012. o smrtonosnoj punkciji bakterijskih ćelija krila cikada, fizičarka polimera sa Univerziteta Stoni Bruk Maja Endoh odlučila je da replicira i prouči nanostubove krila.
„Krilo cikade ima zaista lepu strukturu stubova, pa smo to odlučili da koristimo. Ali takođe smo želeli da optimizujemo strukturu“, kaže Koga.
Da bi oponašao krilo jednog od ovih fascinantnih stvorenja, naučnik o materijalima Daniel Salatto sa Univerziteta Stoni Bruk koristio je polimer koji se često koristi u ambalaži kako bi stvorio sićušne strukture u obliku stubova na bazi silikona.
„Diblok polimer tehnički može sam da stvori nanostrukturu sve dok kontrolišemo životnu sredinu“, kaže Endoh. „Iako koristimo uobičajeni polimer, možemo imati isto ili slično svojstvo koje pokazuje baktericidno svojstvo stuba krila cikada.
Krila cikade imaju nanostubove koji su visoki oko 150 nanometara (nm) i na istoj udaljenosti, ali tim je testirao različite dimenzije da vidi kako će to uticati na proces.
„Mislili smo da će visina biti važna za nanostrukturu jer smo prvobitno očekivali da visina stubova deluje kao igla za probijanje membrane bakterije“, objašnjava Endoh.
Tokom laboratorijskog testiranja, otkrili su da su površine super-malih nanostubova, visine oko 10 nm, široke 50 nm i međusobno udaljene 70 nm, bile veoma efikasne u ubijanju bakterija Escherichia coli i da ih oslobađaju najmanje 36 sati, ne ostavljajući akumulirane mrtve bakterije ili ostaci na površinama.
„Poznato je da ponekad kada bakterijske ćelije umru i apsorbuju se na površine, njihovi ostaci će ostati na površini i zbog toga će biti bolje okruženje za njihovu braću da uđu i apsorbuju se na njima“, objašnjava Salatto.
„Tamo vidite da mnogi biomedicinski materijali ne uspevaju jer ne postoji ništa što se bavi krhotinama koje dobro funkcioniše bez upotrebe hemikalija koje bi manje-više mogle biti toksične za okolno okruženje.“
Ali još uvek nisu znali tačno kako nanostubovi ostvaruju dvostruki zadatak ubijanja i uklanjanja površinskih bakterija sa krila.
Da bi razumeli kako ove površine funkcionišu, angažovali su pomoć Jan-Michael Carrillo-a, računarskog hemičara u Oak Ridge Nacionalnoj laboratoriji u Tenesiju, koji je vodio simulacije molekularne dinamike visoke rezolucije (MD) koristeći pojednostavljeni model bakterije E. Coli.
Velike MD simulacije koje se sastoje od oko milion čestica pokazale su da kada bakterije dođu u kontakt sa površinom stuba, njihova spoljašnja lipidna školjka (membrana) ima snažnu interakciju sa nanostubovima.
„Lipidne glave snažno apsorbuju na hidrofilne površine stubova i prilagođavaju oblik membrane strukturi ili zakrivljenosti stubova“, objašnjava Carrillo.
„Jača privlačna interakcija dalje podstiče dodatno vezivanje membrane za površine stubova. Simulacije sugerišu da se ruptura membrane dešava kada stubovi stvaraju dovoljnu napetost unutar lipidnog dvosloja koji je stegnut na ivicama stubova.“
Membrana je i dalje pod stresom nakon pucanja, a napetost se povećava sve dok se bakterije ne odvoje od stubova, efikasno čisteći površinu.
Dodavanje tankog sloja titanijum oksida (TiO 2 ) na stubove učinilo je svojstva ubijanja i oslobađanja bakterija još bolja, a takođe su radili protiv gram-pozitivnih bakterija zvanih Listeria monocitogenes.
Gram-pozitivne bakterije imaju manje ‘rastezljivu’ spoljašnju ljusku, a stres se više koncentriše na tačkama njihovog pričvršćivanja za stubove, što dovodi do njihovog lakog pucanja, ali izgleda da njihove ćelije nemaju dovoljno jaku privlačnost za stubove bez TiO 2.
Nekim mehanizmima je potrebno više pojašnjenja, ali je za naučnike bilo iznenađujuće da najefikasniji metod nije kopiranje dizajna prirode.
„Nije onako kako smo mislili“, kaže Endoh. „Iako je visina nanostubova kratka, bakterije su i dalje automatski umrle. Takođe, neočekivano, nismo videli nikakvu apsorpciju na površini, tako da se samočisti.
„Mislilo se da je to zbog insekta koji pomera krila da bi se otresao krhotine. Ali sa našom metodologijom i strukturama, dokazujemo da oni prirodno ubijaju i čiste sami.“
Tim planira da koristi dalje simulacije kako bi otkrio druge mehanizme, posebno funkciju samočišćenja, da bi na kraju poboljšao antibakterijske premaze za upotrebu u medicinskom polju.
Istraživanje je objavljeno u ACS Applied Materials & Interfaces.
