De afgelopen tien jaar hebben teams van ingenieurs, scheikundigen en biologen de fysische en chemische eigenschappen van cicadevleugels geanalyseerd, in de hoop het geheim te ontrafelen van hun vermogen om microben bij contact te doden. Als deze functie van de natuur door de wetenschap kan worden nagebootst, kan dit leiden tot de ontwikkeling van nieuwe producten met inherent antibacteriële oppervlakken die effectiever zijn dan de huidige chemische behandelingen.

Toen onderzoekers van de afdeling Materials Science and Chemical Engineering van de Stony Brook University een eenvoudige techniek ontwikkelden om de nanostructuur van de cicadevleugel te dupliceren, misten ze nog steeds een belangrijk stukje informatie:hoe elimineren de nanopilaren op het oppervlak eigenlijk bacteriën? Gelukkig wisten ze precies wie hen kon helpen het antwoord te vinden:Jan-Michael Carrillo, onderzoeker bij het Center for Nanophase Materials Sciences van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy.

Voor nanowetenschappers die op zoek zijn naar computationele vergelijkingen en inzichten voor hun experimenten, biedt Carrillo een unieke service:grootschalige moleculaire dynamica-simulaties met hoge resolutie (MD) op de Summit-supercomputer in de Oak Ridge Leadership Computing Facility bij ORNL.

"We hebben onmiddellijk contact opgenomen met Jan-Michael en hebben onze interesse en motivatie geuit in de mogelijkheid voor een simulatie. Hoewel we weten hoe een MD-simulatie werkt, is het een ingewikkeld proces en hebben we er gewoon niet veel ervaring mee", aldus Maya Endoh. , een onderzoeksprofessor bij Stony Brook en co-auteur van het artikel van het team, dat eerder dit jaar werd gepubliceerd in ACS Applied Materials &Interfaces .

Het verkrijgen van rekentijd op Summit is natuurlijk niet zo eenvoudig als een telefoontje plegen:nanowetenschappers moeten zich aanmelden om dergelijk simulatiewerk te ontvangen bij de CNMS, en hun projecten worden onderworpen aan peer review als onderdeel van het aanmeldingsproces. Maar dat is niet de enige service die Carrillo faciliteert. Naast toegang tot de ultramoderne apparatuur van CNMS voor nanowetenschappelijk onderzoek, bevindt hij zich ook in een unieke positie om te helpen bij het aanvragen van neutronenbundeltijd bij de Spallation Neutron Source van ORNL voor toekomstige experimenten.

"Onze technieken voor lipide MD-simulaties zijn niet uniek. Wat uniek is, is dat we de middelen van de OLCF kunnen benutten, zodat we veel parameters kunnen scannen en grotere systemen kunnen uitvoeren", aldus Carrillo. "Wat ook interessant is, is de SNS van ORNL:hun technieken komen overeen met de tijdschaal van de MD-simulaties. We zijn dus van plan enkele resultaten van MD-simulaties rechtstreeks te vergelijken met de resultaten in SNS en met experimenten hier in het CNMS." P>

De microbenmoordenaar van de natuur repliceren

Endoh van Stony Brook en Tadanori Koga, universitair hoofddocent, besloten cicadevleugels te onderzoeken nadat ze zich hadden laten inspireren door een onderzoeksartikel uit 2012, gepubliceerd in het tijdschrift Small waarin hun vermogen werd beschreven om bacteriële cellen te doorboren met dodelijke gevolgen. Als onderzoekers in de polymeermateriaalwetenschap probeerden Endoh en Koga de nanopilaren van de vleugels te repliceren met gerichte zelfassemblage.

Zelfassemblage is een proces waarbij gebruik wordt gemaakt van blokcopolymeren die bestaan ​​uit twee of meer chemisch verschillende homopolymeren die met elkaar zijn verbonden door een covalente binding. De materialen bieden een eenvoudige en effectieve route om dichte, zeer geordende periodieke nanostructuren te vervaardigen met gemakkelijke controle van hun geometrische parameters over willekeurig grote gebieden. De nanopilaren op de vleugels van een cicade hebben bijvoorbeeld over het algemeen een hoogte en afstand van 150 nanometer, maar het variëren van deze afmetingen leverde interessante resultaten op.

"De cicadevleugel heeft een hele mooie pijlerstructuur, dus dat hebben we besloten te gebruiken. Maar we wilden ook de structuur optimaliseren", aldus Koga. "Op dit moment weten we dat de cicadevleugel de adhesie van bacteriën kan voorkomen, maar het mechanisme is niet duidelijk. Daarom wilden we de grootte en de hoogte van de pilaar en de afstand tussen de pilaren controleren. En toen wilden we zien welke geometrische parameter cruciaal is voor het doden van bacteriën. Dat is het hele idee van dit project."

Daniel Salatto, gastonderzoeker bij het Brookhaven National Laboratory, kreeg de taak om de nano-oppervlakken te construeren en er experimenten mee uit te voeren. Om de vleugel van een cicade na te bootsen, gebruikte hij een polymeer dat veel in verpakkingen wordt gebruikt, met name een diblokcopolymeer van polystyreen-blok-poly(methylmethacrylaat).

"Onze oorspronkelijke aanpak om de pijlers bacteriedodend te maken is heel eenvoudig:het diblokpolymeer kan technisch gezien de nanostructuur zelf creëren, zolang we de omgeving beheersen," zei Endoh. "Bovendien hebben we geen specifiek soort polymeer nodig. Daarom zijn we begonnen met polystyreen. Polystyreen bestaat overal in ons dagelijks leven. En ook al gebruiken we een gewoon polymeer, we kunnen dezelfde of soortgelijke eigenschappen hebben als de de bacteriedodende eigenschappen van de cicadevleugelkolom tonen aan."

Resultaten experimenteel testen, virtueel

Salatto heeft de effectiviteit van de nano-oppervlakken tegen bacteriën in het laboratorium getest door ze te incuberen in bouillons van Escherichia coli en Listeria monocytogenes. Nadat ze waren geëxtraheerd, werden de monsters onderzocht met behulp van fluorescentiemicroscopie en Grazing-Incidence Small-Angle X-ray Scattering bij de National Synchrotron Light Source II van Brookhaven Lab om te bepalen wat er met de bacteriën was gebeurd. De nano-oppervlakken hadden niet alleen de bacteriën gedood die ermee in aanraking kwamen, maar ze hadden ook geen dode bacteriën of vuil op de oppervlakken verzameld.

"Het is bekend dat wanneer bacteriecellen afsterven en ze absorberen op oppervlakken, hun afval op het oppervlak blijft en het daardoor een betere omgeving wordt voor hun broeders om binnen te komen en bovenop hen te absorberen," zei Salatto. "Dat is waar je veel biomedische materialen ziet falen, omdat er niets is dat puin aanpakt dat goed werkt zonder chemicaliën te gebruiken die min of meer giftig kunnen zijn voor de omringende omgevingen."

Maar hoe hebben de pijlers van het nano-oppervlak deze bacteriële uitroeiing bereikt? Dat is waar Carrillo's simulaties enkele aanwijzingen geven voor het mysterie door te laten zien hoe en waar het celmembraan van de bacterie zich uitstrekte en instortte binnen de lokale structuur van de pilaren.

Voor het Stony Brook-project voerde Carrillo een MD-simulatie uit die uit ongeveer een miljoen deeltjes bestond. De omvang van het model was te danken aan de meerdere lengteschalen die werden onderzocht, de grootte van het lipidemolecuul en hoe het zich rond de pijlers van het nano-oppervlak bevindt, de afmetingen van de pijlers en de lengteschalen van de fluctuaties van het membraan.

"De resultaten van de simulatie toonden aan dat wanneer er een sterke interactie is tussen de bacterie en het nano-oppervlaktesubstraat, de lipidekoppen sterk absorberen op de hydrofiele pijleroppervlakken en de vorm van het membraan aanpassen aan de structuur of kromming van de pijlers, " zei Carrillo. "Een sterkere aantrekkelijke interactie stimuleert verder extra membraanhechting aan de pilaaroppervlakken. De simulaties suggereren dat membraanbreuk optreedt wanneer de pilaren voldoende spanning genereren in de lipidedubbellaag die aan de randen van de pilaren is vastgeklemd."

Deze bevinding kwam als een verrassing voor het Stony Brook-team, dat had verwacht dat het nauwkeurig nabootsen van het oorspronkelijke ontwerp van de natuur de beste resultaten zou opleveren. Maar hun best presterende monsters hadden niet dezelfde structuur of hoogte als de nanopilaren van de cicadevleugel.

"We dachten dat de hoogte belangrijk zou zijn voor de nanostructuur, omdat we oorspronkelijk verwachtten dat de hoogte van de pijlers als een naald zou werken om het bacteriemembraan te doorboren. Maar dat is niet de manier waarop we dachten. Ook al is de hoogte van de nanopilaren kort, de bacteriën stierven nog steeds automatisch,” zei Endoh. "Bovendien zagen we onverwachts geen enkele absorptie op het oppervlak, dus het is zelfreinigend. Men dacht dat dit te wijten was aan het feit dat het insect zijn vleugels bewoog om het puin af te schudden. Maar met onze methodologie en structuren bewijzen we dat ze doden en maken op natuurlijke wijze zelf schoon."

Het team zal simulaties blijven gebruiken om een ​​completer beeld te krijgen van de mechanismen die een rol spelen, met name de zelfreinigende functionaliteit, voordat het nano-oppervlak op biomedische apparaten wordt toegepast.

Wat Carrillo betreft, hij zal zijn eigen onderzoek naar amfifiele lipidenachtige dubbellaagsystemen voortzetten, terwijl hij klaar blijft om andere nanowetenschappers te helpen die mogelijk de hulp van de CNMS, OLCF of SNS nodig hebben.

Meer informatie: Daniel Salatto et al., Op structuur gebaseerd ontwerp van dubbele bacteriedodende en bacterie-vrijkomende nano-oppervlakken, Toegepaste materialen en interfaces van ACS (2023). DOI:10.1021/acsami.2c18121

Journaalinformatie: Toegepaste materialen en interfaces van ACS , Klein

Geleverd door Oak Ridge National Laboratory