Sciencemag.cz
Doporučujeme
Křídla cikád zabíjejí na svém povrchu bakterie. Antimikrobiální povrchy samozřejmě známe, nemohla by nás ale křídla cikád v tomto ohledu nějak inspirovat? Na jakém principu vůbec fungují?
Na toto téma se uskutečnilo již několik výzkumů, ovšem zatím s nejednoznačnými výsledky. Předpokládalo se, že by příčinou efektu mohla být nějaká speciální nanostruktura. Což by mohlo stát za to napodobit, protože jinak dosahujeme příslušných vlastností především chemickým ošetřením povrchu (to má většinou omezenou časovou účinnost, mohou se používat látky toxické nejen pro bakterie atd.)
Vědci ze Stony Brook University nyní dokázali replikovat nanostrukturu křídel cikád. Jan-Michael Carrillo a jeho kolegové z Oak Ridge National Laboratory (spadá pod americké ministerstvo energetiky) pak vlastnosti nanostruktury analyzovali na zde umístěném superpočítači Summit. Použitá byla metoda simulace molekulární dynamiky s vysokým rozlišením (high-resolution molecular dynamics).
Původně se tipovalo, že princip je především mechanický – struktura křídel obsahuje síť nanosloupků, které bakteriální buňky prostě propíchnou, nebo alespoň brání jejich adhezi. Vědci za tímto účelem analyzovali rozmístění sloupků, jejich výšku, tloušťku i tvar. Strukturu napodobili pomocí kopolymeru na bázi polystyrenu a polymethylmethakrylátu. Příslušný polymer podle podmínek dokáže řízením vnějších podmínek odpovídající struktury vytvářet sám.
Laboratorní testy a počítačové simulace ale vedly k závěru, že princip fungování křídel cikád je jiný. Především se ukázalo, že povrch nejenže zabíjí bakterie, ale navíc se na něm nehromadí mrtvé buňky ani jejich zbytky. To je dost důležité, protože tyto zbytky jinak vytvářejí příznivější podmínky pro přilnutí dalších bakterií (to je problém i řady našich syntetických materiálů, mají jen určitou „kapacitu“). Simulace dále vedly k závěru, že sloupky bakterie zabíjejí jinak než napichováním. Struktura sloupků spíše vede k natahování membrány buňky a její deformaci do tvarů, kdy membrána v důsledku napětí praskne. Sloupky jsou hydrofilní, lipidy v membráně bakteriích buněk se na ně lepí a proces pokračuje i mimo místo původního doteku.
Z toho vyplývá, že například výška ani ostrost jednotlivých sloupků není pro jejich funkci rozhodující, povrch se nechová, jako by byl plný jehel. Jde o složitější geometrii/odpovídající vyvolané zakřivení.
Co se pak týče otázky, proč po prasknutí buňky nezůstávají na povrchu její zbytky: Původně se předpokládalo, že jak cikády létají, pohybují křídly a přitom je setřásají. Ale není to zřejmě nutné, povrch je samočistící (zase i takové povrchy umělé známe, ošetřené fotokatalyzátory apod.).
Simulace nanostruktury povrchu podobného křídlu cikády. Boční průřez: simulované lipidové dvojvrstvé vezikuly interagují s nanosloupky, což vede k prasknutí membrány v oblastech s vysokým zakřivením. Kredit: Jan-Michael Carrillo/ORNL
Daniel Salatto et al, Structure-Based Design of Dual Bactericidal and Bacteria-Releasing Nanosurfaces, ACS Applied Materials & Interfaces (2023). DOI: 10.1021/acsami.2c18121
Zdroj: Oak Ridge National Laboratory
