Новое понимание того, как работают эти «наностолбики», может вдохновить на лучшие способы защиты людей от инфекций.
Цикады издают оглушительный треск, чтобы привлечь сородичей, но еще одна примечательная особенность этих пугающих на вид насекомых - их менее известная суперспособность: их крылья могут убивать бактерии. Сейчас исследователи уверены, что знают, как насекомые это делают, - открытие, которое может привести к новым способам борьбы с заражением и распространением инфекций.
Крылья цикад покрыты крошечными столбиками, настолько маленькими, что их можно увидеть только с помощью электронного микроскопа. Когда микроб перемещается по этим «наностолбикам», они сгибаются, разрывают мембрану патогена и убивают его, сообщили исследователи на ежегодной встрече Общества интегративной и сравнительной биологии в начале этого месяца. Если бы производители медицинского оборудования могли создавать поверхности с подобными свойствами, «это могло бы изменить ситуацию в клиниках», - считает Джейк Соча, специалист по сравнительной биомеханике из Политехнического института и Государственного университета Вирджинии, который не принимал участия в этой работе.
Около 15 лет назад австралийские исследователи обнаружили, что крылья цикад убивают бактерии, но как именно - оставалось неясным. Чтобы выяснить это, Марианна Аллейн, энтомолог из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн, и аспирант Ютао Чен сделали копии крыльев цикады. Чтобы воспроизвести наностолбики, они сделали на алюминиевых поверхностях лунки разной глубины и выдавили в них тонкий слой полистирола.
Чен растворила алюминиевые формы, оставив синтетические наностолбики, закрепленные на тонких платформах. Она сделала их двух размеров: одни были такими же, как собственные наностолбики цикады, а другие - чуть больше. Она поместила на эти платформы распространенных бактерий Pseudomonas, которые могут вызывать пневмонию, а также инфекции мочевыводящих путей и крови, и изучила их в поперечном разрезе.
Когда наностолбики сгибаются под весом бактерии их кончики иногда протыкают клеточные стенки бактерий, сообщила Чен. Она измерила, сколько бактерий погибло, используя стандартный метод, включающий добавление флуоресцентных маркеров, чтобы бактерии светились зеленым, когда они живы, и красным, когда мертвы. Через 3 часа короткие наностолбики убили около 98% микробов - наравне с обычным дезинфицирующим средством, в то время как длинные убили 89%. «Похоже, что бактерии просто „сдуваются“, - комментирует Дуглас Фадж, биофизик из Университета Чепмена, который не принимал участия в работе. Чен объясняет, что, когда наконечники сгибаются, они растягивают мембрану микроба, разрывая ее.
Затем исследователи попытались выяснить, можно ли с помощью этого материала, вдохновленного биологией, сделать то, что не под силу дезинфектанту. Когда бактерии инфицируют медицинские поверхности, они могут образовывать биопленки, что «может иметь разрушительные последствия», - отмечает Аллейн. Чтобы проверить, могут ли наностолбики предотвратить образование биопленок, группа Чен создала крошечный контейнер с жидкостью, похожий на канал, который прикреплялся к платформе, чтобы жидкость текла по наностолбикам. Исследователи выпустили бактерий в эту жидкость и позволили им осесть на столбиках. Обычно слабый поток способствует прикреплению и росту бактерий. Но в этом испытании «мы обнаружили, что наш наноструктурированный полистирол очень эффективно убивает бактерии». По словам Чен, он также предотвращает образование вредных биопленок, против которых дезинфектанты неэффективны.
Другие исследователи уже отмечали существование этих наностолбиков и предполагали, что они могут обладать антибактериальными свойствами. Но эта исследовательская группа «начинает понимать, как они работают», - говорит Соча. По его словам, он и многие его коллеги-исследователи насекомых никогда не слышали об этих структурах. Слишком часто устройства, созданные на основе биологических структур, не работают, говорит Соча, но это «действительно представляется многообещающим».
Аллейн надеется определить «оптимальный» размер и организацию смертоносных наностолбиков и рассчитывает, что они окажутся полезными для многих применений, включая медицинские имплантаты, фильтры и даже упаковку для продуктов питания. Наностолбики будут стоить дороже дезинфицирующих средств, но они не разрушают приборы и окружающую среду так, как многие дезинфицирующие средства, отмечает Чен. Однако Фадж более осторожно оценивает потенциал этой альтернативы для уничтожения бактерий, говоря, что необходимо провести дополнительную работу, чтобы подтвердить убийственную силу этих структур.
