Структуры на чешуйках питона могут послужить источником вдохновения для разработки антимикробных материалов без использования химикатов.
Шаровые (королевские) питоны получили своё название благодаря классическому защитному приёму: они сворачиваются в шар и прячут голову. Однако их чешуйки скрывают ещё одну, гораздо более тонкую форму защиты: микроскопические шипы, препятствующие размножению бактерий. Это открытие, о котором 11 марта сообщил журнал ACS Omega, может послужить источником вдохновения для создания антимикробных материалов, действующих не химическим, а механическим образом. «Мы могли бы использовать механику и антибиотики в тандеме», — говорит Эндрю Парнелл, физик-полимерщик из Университета Шеффилда, не участвовавший в исследовании. «Возможно, мы могли бы перепрофилировать некоторые старые антибиотики в рамках такого двустороннего подхода».
Микроструктуры встречаются повсюду в природе. На перьях птиц они придают яркие оттенки. Крошечные волнистости на луке-порее, листьях лотоса и лепестках роз помогают растениям отводить воду. Микроскопические рифления на чешуе акулы уменьшают сопротивление. Исследователи также изучали, как волосоподобные структуры на коже геккона и крыльях цикады могут препятствовать размножению бактерий. Но хотя микроархитектура змеиной кожи изучалась с точки зрения ее влияния на цвет и движение, ее потенциальное воздействие на бактерии оставалось без внимания.
Чтобы выяснить это, исследователи под руководством Вацлава Пероутки из Пражского химико-технологического университета тщательно изучили чешуйки королевского питона (Python regius), на которых расположены плотные ряды микроскопических шипов. Длина каждого шипа составляет примерно 9 микрометров, что приблизительно соответствует размеру одной клетки. Исследователи выдвинули гипотезу, что шипы могут препятствовать образованию биопленок, которые формируются, когда микробные сообщества выделяют защитный слизистый слой, помогающий им прилипать к поверхностям. Биопленки удерживают питательные вещества внутри и не пропускают антибактериальные вещества, 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 резистентными, чем свободноживущие.
Используя змеиную кожу, сброшенную животными в Пльзенском зоопарке, исследователи закрепили отдельные чешуйки на иголках и инкубировали их в бульонах, богатых питательными веществами и одним из двух видов бактерий: Escherichia coli или Staphylococcus aureus. Через 48 часов контрольные образцы из полистирола были покрыты толстыми зрелыми биопленками. Однако чешуйки змей оказались гораздо более устойчивыми к микробам: E. coli и S. aureus прилипали к ним соответственно на 88% и 78% меньше. Под микроскопом поверхности чешуек были лишь редко заселены бактериями, нашедшими убежище между шипами.
Исследователи предлагают несколько гипотетических механизмов того, как шипы могут предотвращать образование биопленок. Выступы могут ограничивать площадь поверхности, с которой бактерии могут контактировать, или заставлять их принимать геометрически нестабильные формы. Ученые также предполагают, что острые концы физически повреждают мембраны бактериальных клеток или каким-то образом ограничивают их способность выделять гели, образующие биопленку.
Парнелл хотел бы увидеть больше данных, чтобы определить конкретный механизм действия. «Они помещают бактерии на эти поверхности, а затем видят, что те не прилипают», — говорит он. «Но здесь пропадает важная деталь — что происходит между этими этапами?» Понимание конкретных механизмов имеет ключевое значение, когда речь идет об адаптации и оптимизации биоинспирированных конструкций для использования в практических продуктах. «Мы можем еще больше усовершенствовать такие вещи», — считает Парнелл. «Химия может создать многое из того, что природа не способна придумать».
Если микроструктурные антимикробные продукты когда-нибудь станут популярными, это также потребует от общества принятия концептуального сдвига, отмечает Парнелл. «Если мы перейдем к системе, в которой не используем химикаты, нам придется принять, что эффективность уничтожения микроорганизмов будет гораздо ниже», — говорит он. «[Но] с этим приходит дополнительное преимущество: мы сможем использовать эти продукты в большем количестве мест».
