Нанотехнология "крыло жука", которая побеждает бактерии
Крылья насекомых имеют наноразмерные структуры, которые придают им интересные свойства - в том числе антибактериальные.
Группа австралийских и японских исследователей выяснила, как применить эти свойства к пластику, что открывает путь к созданию не содержащих антибиотиков антибактериальных пищевых контейнеров. Исследование опирается на десятилетний опыт исследований самоочищающихся поверхностей. Исследователи уже давно знают, что многие живые организмы имеют микро- и наноструктуры, которые противостоят бактериям.
"Листья лотоса известны своими самоочищающимися свойствами", - говорит Елена Иванова, исследователь из Университета RMIT. Другие исследования в RMIT были посвящены водоотталкивающим (гидрофобным) листьям лотоса, которые также послужили источником вдохновения для создания самоочищающегося пластика. Но Иванова говорит, что конкретно для антибактериальных целей модель листьев лотоса "не так перспективна". "Мы искали другие примеры свободных от бактерий поверхностей в природе", - добавляет она.
Крылья насекомых, также гидрофобные, имеют схожую с листьями лотоса поверхность. На наноуровне обе поверхности очень шероховатые: покрыты бугорками, размер которых в десять тысяч раз меньше миллиметра. Исследователи изучили крылья цикады и стрекозы. В этих крыльях есть "нанопиляры": тупые шипы, размером примерно в сотую часть бактериальных клеток. Исследователи полагали, что эти нанопиляры (наностолбики), подобно поверхности листьев лотоса, будут достаточно гидрофобными, чтобы очистить их от бактерий.
Наностолбики на поверхности крыла стрекозы (увеличение в 20 000 раз). Фото: RMIT University
"Мы думали, что с бактериальными клетками произойдет то, что происходит с капельками воды, которые отскакивают от поверхности, [удерживая] бактерии, а поверхность остается свободной от бактерий", - говорит Иванова. Но при исследовании поверхности с помощью электронной микроскопии и некоторых других методов команда обнаружила, что происходит нечто еще более впечатляющее.
"К нашему большому удивлению, все оказалось наоборот: бактерии действительно смогли осесть, прикрепиться на этой поверхности, но когда они прикрепляются к поверхности, [...] они становятся нежизнеспособными", - рассказывает Иванова.
"Когда мы посмотрели на границу раздела между бактериальной клеткой и поверхностью, мы ясно увидели, что бактериальная мембрана и клетка повреждены, разорваны".
Это означает, что сама поверхность оказалась бактерицидной: она "фактически может разрывать бактериальные клетки простым механическим напряжением, которое накладывается на клеточную мембрану".
Наностолбики высотой около 60 нанометров оказались наиболее эффективными в уничтожении бактерий.
"Когда бактериальная клетка садится на поверхность, она растягивается - и напряжение, возникающее в результате этого растяжения, настолько сильное, что мембрана разрывается. Так что, по сути, это довольно удивительный способ разрушения бактериальных клеток".
Исследователи использовали это открытие для разработки полимерных пленок, содержащих эти бактерицидные наностолбики, которые можно добавлять в пластик. "Разработана очень точная техника нанофабрикации", - говорит Иванова. Исследователи RMIT протестировали эти пленки и обнаружили, что они могут убивать до 70% бактерий, которые на них попадают. Технология описана в статье в журнале ACS Nanomaterials.
Иванова говорит, что, в отличие от традиционных антибиотиков, бактерии вряд ли станут резистентными к этим пленкам. "В зависимости от наношаблона, [мембрана] может быть разорвана в течение от 5 до 20 минут. Таким образом, у клеток не остается шанса размножиться и адаптироваться", - говорит она. Сейчас исследователи выясняют, как сделать пленки еще более эффективными в уничтожении бактерий, а также увеличить масштабы их производства. Они также изучают возможность нанесения таких пленок на мягкие пластмассы. В конечном итоге такие покрытия могут продлить срок хранения продуктов питания, а также сделать их более безопасными при хранении и транспортировке.
"Это не мы придумали - природа создала этот особый рисунок на поверхности крыльев. Мы просто нашли его!" - говорит Иванова.
