Крылья цикад дают им антибактериальную суперспособность

Каждые 13 или 17 лет насекомые размером с большой палец, называемые цикадами, массово вылетают из земли по всей восточной части Соединенных Штатов, производя оглушительный грохот, чтобы привлечь партнеров. Но еще одна замечательная вещь об этих пугающе выглядящих насекомых — это их менее известная суперспособность: их крылья могут убивать бактерии. Теперь исследователи думают, что знают, как насекомые это делают — открытие, которое может привести к новым способам борьбы с загрязнением и распространением инфекции.

Крылья цикады покрыты крошечными столбиками, настолько маленькими, что их можно увидеть только с помощью электронного микроскопа. Когда микроб движется по этим «наностолбикам», они изгибаются и разрывают мембрану патогена и убивают его, сообщили исследователи в начале этого месяца на ежегодном собрании Общества интегративной и сравнительной биологии. Если бы производители медицинского оборудования могли производить поверхности с похожими свойствами, «это могло бы изменить правила игры в больничных условиях», говорит Джейк Соча, сравнительный биомеханик из Политехнического института и Государственного университета Вирджинии, который не принимал участия в работе.

Около 15 лет назад австралийские исследователи обнаружили, что крылья цикады убивают бактерии, но как именно это происходит, оставалось неясным. Чтобы выяснить это, Марианна Аллейн, энтомолог из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне, и аспирант Ютао Чен изготовили копии крыльев цикады. Чтобы воспроизвести наностолбики, они сделали на алюминиевых поверхностях углубления разной глубины и вдавили в них тонкий слой полистирола.

Чэнь растворила алюминиевые формы, оставив синтетические наностолбики цикады, закрепленные на тонких платформах. Она сделала их двух размеров: один размером с собственные наностолбики цикады, а другой немного больше. Она поместила на эти платформы обычную бактерию Pseudomonas, которая может вызывать пневмонию, а также инфекции мочевыводящих путей и крови, и исследовала их в поперечном сечении.

Когда наностолбики сгибаются под тяжестью бактерий, их кончики иногда прокалывают мембраны микробов, сообщила Чен на встрече. Она измерила, сколько бактерий погибло, используя стандартный метод, который включает добавление флуоресцентных маркеров, так что бактерии светятся зеленым, когда они живы, но красными, когда мертвы. Через 3 часа короткие наностолбики убили около 98% микробов — наравне с отбеливателем, распространенным дезинфицирующим средством, — тогда как более длинные убили 89%

«Похоже, что бактерии просто сдуваются», — говорит Дуглас Фадж, биофизик из Университета Чепмена, который не принимал участия в работе. Когда кончики сгибаются, объясняет Чен, они, по-видимому, растягивают мембрану микроба, разрезая ее.

Затем исследователи попытались выяснить, смогут ли они заставить биоматериал делать то, что не может отбеливатель. Когда бактерии заражают медицинские трубки в больницах, домах престарелых и даже внутри имплантатов у людей, они могут накапливаться в виде пленок, которые «могут иметь разрушительные последствия», отмечает Аллейн. Чтобы выяснить, могут ли наностолбики предотвратить такое накопление, команда Чен построила крошечный, переносящий жидкость, похожий на канал контейнер, который она могла запечатать на платформе, чтобы жидкость текла по наностолбикам.

Она выпустила бактерии в эту жидкость и позволила им осесть на столбах. Через 1 час, позволив слабому потоку пройти по этой колонии, она проверила бактерии. Обычно слабый поток способствует прикреплению и росту бактерий. Но в этом тесте «мы обнаружили, что наш наноструктурированный полистирол очень эффективен в уничтожении бактерий». Он также предотвратил накопление вредных пленок — то, против чего отбеливатель бесполезен, говорит Чэнь.

Другие исследователи отметили существование этих наностолбиков и предположили, что они могут обладать антибактериальными свойствами. Но эта команда «начинает понимать, как они работают», говорит Соча. Он говорит, что он и многие его коллеги-исследователи насекомых никогда не слышали об этих структурах до выступления. Слишком часто устройства, вдохновленные биологическими структурами, не работают, говорит Соча, но это «действительно кажется многообещающим».

Аллейн надеется определить «оптимальный» размер и организацию для смертоносных наностолбиков и что они окажутся полезными для многих применений, включая медицинские имплантаты, фильтры и даже упаковку продуктов питания. Наностолбики будут стоить дороже дезинфицирующих средств, но они не вызывают коррозию устройств или окружающей среды, как многие дезинфицирующие средства, отмечает Чен. Однако Фадж более осторожен в отношении потенциала этой альтернативы для уничтожения бактерий, говоря, что необходимо провести больше исследований, чтобы подтвердить смертоносную силу этих структур.