Микроскопические шипы на змеиной коже препятствуют скоплению бактерий

Фото из открытых источников

Шаровидные питоны получили свое название благодаря классическому защитному приему: они сворачиваются в клубок и прячут голову. Но за их чешуей скрывается другая, гораздо более тонкая форма защиты: микроскопические шипы, препятствующие размножению бактерий. Открытие, о котором сообщается в журнале ACS Omega, может послужить источником вдохновения для создания антимикробных материалов, действующих механически, а не химически.

«Мы могли бы использовать механику и антибиотики одновременно», — говорит Эндрю Парнелл, физик-полимерщик из Шеффилдского университета, не принимавший участия в исследовании. «Возможно, мы могли бы повторно использовать некоторые старые антибиотики, применяя двухсторонний подход».

Микроструктуры встречаются повсюду в природе. На перьях птиц они придают яркие оттенки. Крошечные волнистые выступы на луке-порее, листьях лотоса и лепестках роз помогают растениям отводить воду. Микроскопические ребристые выступы на чешуе акулы уменьшают сопротивление воздуха. Исследователи также изучали, как волосоподобные структуры на коже гекконов и крыльях цикад могут препятствовать размножению бактерий. Но хотя микроархитектура змеиной кожи изучалась на предмет ее влияния на цвет и движение, ее потенциальное воздействие на бактерии оставалось без должного внимания.

Чтобы это выяснить, исследователи под руководством Вацлава Пероутки из Пражского университета химии и технологий внимательно изучили чешую шаровидного питона (Python regius), которая имеет плотные ряды микроскопических шипов. Каждый шип имеет длину примерно 9 микрометров, что примерно соответствует размеру одной клетки. Исследователи предположили, что шипы могут препятствовать образованию биопленок, которые образуются, когда микробные сообщества выделяют защитный слизистый слой, помогающий им прилипать к поверхностям. Биопленки удерживают питательные вещества внутри и не пропускают антибактериальные агенты снаружи, а также позволяют микробам передавать друг другу гены, в том числе гены устойчивости к антибиотикам. Бактерии, связанные с биопленками, могут быть в 1000 раз более устойчивыми, чем свободноживущие.

Используя змеиные шкуры, сброшенные животными из Пльзеньского зоопарка, команда исследователей насадила отдельные чешуйки на иглы и поместила их в питательные среды, богатые одним из двух видов бактерий: кишечной палочкой (Escherichia coli) или золотистым стафилококком (Staphylococcus aureus). Через 48 часов контрольные образцы из полистирола покрылись толстыми, зрелыми биопленками. Однако змеиные чешуйки оказались гораздо более устойчивыми к микробам: кишечная палочка и золотистый стафилококк прилипали к ним на 88% и 78% меньше соответственно. Под микроскопом поверхности чешуек были лишь слабо колонизированы бактериями, которые нашли убежище между шипами.

Исследователи предлагают несколько предположительных механизмов того, как эти шипы могут препятствовать образованию биопленок. Выступы могут ограничивать площадь контакта бактерий с поверхностью или заставлять их принимать геометрически неустойчивые формы. Исследователи также говорят, что возможно, острые концы физически повреждают клеточные мембраны бактерий или каким-то образом ограничивают их способность выделять биопленочные гели.

Парнелл хотел бы увидеть больше исследований по выявлению конкретного механизма действия. «Они вводят бактерии на эти поверхности, а затем видят, что те не прилипают», — говорит он. «Но есть недостающий фрагмент — что происходит между ними?» Понимание конкретных механизмов является ключом к адаптации и оптимизации биоинспирированных конструкций для создания практических продуктов, говорит Грегори Уотсон, ученый-биомиметист и специалист по нанотехнологиям из Университета Саншайн-Кост. «Мы можем еще больше улучшить подобные вещи», — говорит он. «Химия может создать многое, что природа не может придумать».

Если микроструктурированные антимикробные продукты когда-нибудь получат широкое распространение, это также потребует от общественности принятия концептуальных изменений, отмечает Парнелл. «Если мы перейдем к системе, в которой мы не используем химические вещества, нам придется смириться с тем, что эффективность уничтожения бактерий будет значительно ниже», — говорит он. «Но это также дает дополнительное преимущество: мы сможем использовать их в большем количестве мест».