RW Space

Крылья цикады могут убивать и удалять бактерии, и теперь исследователи использовали моделирование для изучения функций тупых шипов на их поверхности и получили некоторые удивительные результаты.

Понимание этого естественного процесса может решить серьезную проблему здравоохранения. . Медицинские устройства, такие как катетеры, способствуют микробной колонизации и образованию биопленки, обеспечивая поверхность, к которой бактерии прикрепляются, поэтому ученые разрабатывают более эффективные бактерицидные поверхности.

Исследователи ранее изучали химические и физические характеристики крыльев цикад и стрекоз. , но многое неясно об их антибактериальных свойствах, например о том, как они удаляют следы своих бактериальных жертв.

«На данный момент мы знаем, что крыло цикады может предотвратить прилипание бактерий, но механизм не ясен. », — говорит Таданори Кога, инженер-химик из Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке.

После прочтения исследования 2012 года о летальном проколе бактериальных клеток крыльями цикады Кога и физик-полимер из Университета Стоуни-Брук Майя Эндо решили воспроизвести и изучить наностолбы крыльев.

«Крыло цикады имеет очень красивую структуру столба, поэтому мы решили использовать его. Но мы также хотели оптимизировать структуру», – говорит Кога.

Чтобы имитировать крыло одного из этих очаровательных существ, материаловед Даниэль Салатто из Университета Стоуни-Брук использовал полимер, часто используемый в упаковке, для создания крошечных структур в форме столбов на кремниевой основе.

» Технически диблочный полимер может создать наноструктуру сам по себе, если мы контролируем окружающую среду», — говорит Эндох. «Несмотря на то, что мы используем обычный полимер, мы можем иметь такое же или подобное свойство, которое демонстрирует бактерицидное свойство крыла цикады». =»ширина: 642px» class=»wp-caption alignnone»>

Крылья цикады имеют наностолбики высотой около 150 нанометров (нм) и на таком же расстоянии друг от друга. друг от друга, но команда проверила различные размеры, чтобы увидеть, как это повлияет на процесс.

«Мы думали, что высота будет важна для наноструктуры, потому что мы изначально ожидали, что высота столбов будет действовать как игла. чтобы проколоть бактериальную мембрану», — объясняет Эндо.

Во время лабораторных испытаний они обнаружили, что поверхности сверхмалых наностолбиков, около 10 нм в высоту, 50 нм в ширину и 70 нм друг от друга, очень эффективно убивают бактерии. Бактерии Escherichia coli, а также высвобождение их в течение не менее 36 часов, не оставляя накопленных мертвых бактерий или мусора на поверхностях.

«Известно, что иногда, когда клетки бактерий умирают и поглощаются поверхностями, их остатки остаются на поверхности и, таким образом, создать более благоприятную среду для своих собратьев, чтобы они проникли внутрь них и поглотили их», — объясняет Салатто.

«Именно здесь вы видите, как многие биомедицинские материалы терпят неудачу, потому что нет ничего, что могло бы решить мусор, который хорошо работает без использования химикатов, которые могут быть более или менее токсичными для окружающей среды».

Но они все еще не знали точно, как наностолбы выполняют двойную задачу: убивать и em> удаление поверхностных бактерий с крыльев.

Чтобы понять, как работают эти поверхности, они обратились за помощью к Яну-Майклу Каррильо, химику-вычислителю из Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси, который занимался молекулярным анализом с высоким разрешением. моделирования динамики (МД) с использованием упрощенной модели E. Бактерии Coli.

Крупномасштабное МД-моделирование, состоящее из примерно миллиона частиц, показало, что, когда бактерии вступают в контакт с поверхностью столбика, их липидная внешняя оболочка (мембрана) имеет сильное взаимодействие с наностолбиками.

«Липидные головки прочно впитываются на поверхности гидрофильных столбиков и приспосабливают форму мембраны к структуре или кривизне столбиков», — объясняет Каррильо.

«Более сильное притягивающее взаимодействие способствует дополнительному прикреплению мембран к поверхностям столбиков. Моделирование предполагает, что разрыв мембраны происходит, когда столбики создают достаточное напряжение внутри липидного двойного слоя, зажатого по краям столбиков».

Мембрана продолжает подвергаться напряжению после разрыва, и напряжение нарастает до тех пор, пока бактерии не отделятся от столбиков, эффективно очищая поверхность.

Добавление тонкого слоя оксида титана (TiO₂) к столбикам сделало свойства уничтожения и высвобождения бактерий еще лучше , и они также работали против грамположительных бактерий, называемых Listeria monocytogenes.

Грамположительные бактерии имеют менее «растяжимую» внешнюю оболочку, и стресс больше концентрируется в точках их прикрепления к столбикам, заставляя их легко разрывались, но их клетки, по-видимому, не имели достаточно сильного притяжения к столбикам без TiO_2.

Некоторые механизмы нуждаются в дополнительных разъяснениях, но было удивительно, что ученых, что самый эффективный метод — это не копирование замысла природы.

«Это не то, как мы думали, — говорит Эндох. «Несмотря на то, что высота наностолбиков мала, бактерии все равно автоматически погибают. Кроме того, неожиданно мы не увидели никакого поглощения на поверхности, так что она самоочищается».

«Считалось, что это из-за того, что насекомое двигает крыльями, чтобы стряхнуть мусор. Но с нашей методологией и структурами мы доказываем, что они естественным образом убивают и очищают сами себя».

Команда планирует использовать дальнейшее моделирование, чтобы раскрыть другие механизмы, особенно функцию самоочистки, чтобы в конечном итоге улучшить антибактериальные свойства. покрытий для использования в медицине.

Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.