Бактериальная клетка оседает на неприметной поверхности. Она плотная, здоровая и функционирует должным образом. Внешне все в порядке.
Но через несколько минут некогда упругая клетка превращается в сдувшийся шарик. Увеличьте изображение до наноразмерного и вы поймете, почему: бактерия была проткнута и ее трупик покрыт множеством крошечных шипов. Это плохая новость для бактерии, но для нас, людей, подверженных воздействию поверхностей, загрязненных бактериями и их липкими биопленками, эффект от использования этой поверхности с “нанопаттернами” является долгожданным событием.
Биопленки вызывают инфекции и могут привести к серьезным последствиям для здоровья и экономики, создавая серьезные проблемы для медицинских учреждений и предприятий пищевой промышленности. Лучший способ борьбы с биопленками - это, в первую очередь, предотвратить их образование. Может помочь обработка поверхностей покрытиями, содержащими антиадгезивные, противомикробные или бактерицидные соединения (например, противомикробные препараты и тяжелые металлы). Но, в зависимости от поверхности и применения, такие ограничения, как устойчивость к противомикробным препаратам, токсичность и истощение химического состава с течением времени, могут снизить их эффективность. А это значит, что, возможно, пришло время заняться физическими методами борьбы с биопленками.
Более десяти лет назад Елена Иванова, заслуженный профессор Королевского технологического института Мельбурнского университета (Австралия), изучила изображение крыла цикады, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии. Крылышко было погружено в суспензию клеток Pseudomonas aeruginosa и инкубировалось всю ночь. Иванова отметила, что бактерии прилипли к крылышку, но выглядели они не очень привлекательно. “Было очевидно, что бактерии нездоровы и их морфология была изменена”, - рассказала она. “Итак, мы начали копать, пытаясь понять, что происходит".
Путь Ивановой к этому моменту был основан на более широком стремлении понять супергидрофобные (чрезвычайно водостойкие) поверхности. Ее работа началась с листьев лотоса (яркий пример супергидрофобности, при которой капли воды соскальзывают с листьев, унося с собой загрязняющие вещества). Затем Иванова обратилась к другим примерам в природе, чтобы изучить, как работают эти отталкивающие поверхности, особенно в контексте микробных загрязнений.
Известные своими многолетними циклами размножения и иногда оглушительными песнями, цикады также обладают крыльями, которые отталкивают воду, удаляя грязь и мусор. Но когда дело дошло до выделения бактерий, лаборатория Ивановой обнаружила нечто большее, чем просто водяные шарики. “Как всегда в науке, это стало неожиданностью”, - вспоминает она. Крылья насекомых были покрыты крошечными выступами, или наностержнями. Иванова и ее коллеги показали, что эти нанопиллары на крылья цикад, уничтожают P. aeruginosa в течение 3 минут.
Источник: Qu, C., et al./Scientific Reports, 2023 via a CC BY 4.0 license
Дополнительные эксперименты и микроскопия показали, что когда клетки приземляются на наностолбики, неподдерживаемые части клетки провисают между столбиками, растягивая мембрану до тех пор, пока она не порвется. “На самом деле, она лопается прямо между наностолбиками”, - пояснила Иванова. Примечательно, что когда на крылья было нанесено золотое покрытие, которое изменило их химический состав, их антибактериальные свойства не изменились. Этот результат показал, что цикады предотвращают бактериальное заражение своих крыльев механическими и структурными средствами, а не химическими.
С тех пор бактерицидные наноструктуры были обнаружены на крыльях других насекомых, таких как стрекозы, а также на коже организмов, не относящихся к насекомым, таких как гекконы. Природа снова и снова показывает, что лучший способ борьбы с микробными врагами - это убивать их. Этот физический способ уничтожения бактерий вдохновил исследователей, таких как Иванова, на разработку материалов с наноструктурами, которые могли бы помочь уменьшить образование биопленок на медицинских устройствах, таких как катетеры, или на предприятиях пищевой промышленности.
Но как превратить знания о насекомых в так называемые механобактерицидные поверхности? Различные материалы, такие как металлы (например, медь, титан), стекло и полимеры, могут быть обработаны с помощью наноструктур, которые имеют самые разнообразные формы - от столбиков до шипов и шиповидных завитков. Выступы создаются с использованием различных методов нанотехнологий; например, они могут быть выгравированы на поверхности с помощью лазера или выращены в виде кристаллов в условиях высокого давления и нагрева.
Несмотря на эти различия, высота выступов и расстояние между ними должны быть одинаковы. Наночастицы не могут быть слишком высокими или слишком короткими. Они не могут быть слишком редкими, чтобы бактерии могли поместиться между ними. Но они также не должны быть слишком плотными, так как это может привести к возникновению ситуации “гвоздевого ложа”, когда точек давления так много, что клетка остается сверху целой и невредимой.
“Для достижения максимальной бактерицидной эффективности необходимо иметь определенную плотность, определенную высоту и диаметр наночастиц, а это непросто в контексте нанопроизводства”, - пояснила Иванова. Наночастицы часто самоорганизуются (они самопроизвольно собираются в определенные образования из-за молекулярных взаимодействий и ограничений), что затрудняет контроль над результирующим рисунком. Прежде чем проверять, насколько хорошо поверхность убивает бактерии, необходимо проверить, какой рисунок получился в итоге, с помощью сканирующего электронного микроскопа. Структурные различия между грамотрицательными и грамположительными бактериями также означают, что, как правило, существуют большие различия в том, насколько эффективна та или иная поверхность против микробов.
Как именно поверхности с нанопаттернами уничтожают бактерии, является предметом активных исследований. Когда бактерия оседает на массив плотных, тупых наностержней, ее мембрана может растягиваться и разрываться, как это происходит на крыльях цикады. Некоторые поверхности, например, графеновые, имеют слои наноструктур, похожих на ножи, которые вонзаются в бактериальные клетки и разрезают их.
Механобактериальные поверхности могут не только разрушать клетки, но и вызывать их самоуничтожение. Нанопиллары могут вызывать реакцию на стресс, которая заканчивается запрограммированной гибелью клеток; сигналы, исходящие от клеток, подвергшихся стрессу, могут также привести к самоуничтожению близлежащих клеток. Лаборатория Ивановой продемонстрировала нечто подобное с Candida albicans, у которой титановая поверхность с наностолбиками вызвала апоптоз и предотвратила размножение грибков. Таким образом, механобактерицидные поверхности эффективны не только против бактерий, но и против других микробов, таких как грибки и вирусы (например, гриппа).
Но есть одна загвоздка: производство материалов с нанопаттернами в больших масштабах затруднено. Это ограничивает возможности по изготовлению таких материалов для различных целей. Чжэцзянь Цао, научный сотрудник в Технологическом университете Чалмерса (Швеция), привел в качестве примера свою работу по выращиванию вертикальных наночастиц графена (которые вонзаются в бактерии). “Когда мы пытаемся вырастить вертикальный графен, нам нужен нагрев выше 700° C, а это означает, что у вас очень ограниченные возможности для изготовления подложки”, - сказал он, отметив, что такие материалы, как полимерный пластик, могут сгореть при таких условиях. Этот процесс также не очень экологичен с точки зрения энергопотребления.
Однако в недавнем исследовании Цао и коллег они предложили обходной путь, который предполагает сочетание механического уничтожения бактерий с небольшим количеством химии. Ученые показали, что механо-бактерицидные поверхности могут быть основаны на металлоорганических каркасах (MOК) - кристаллических молекулярных структурах, состоящих из ионов металлов/кластеров, связанных с органическими молекулами. МОК, удостоенные Нобелевской премии по химии за 2025 год, обладают высокой адаптируемостью (т.е. их геометрия и химический состав могут быть легко изменены) и, что немаловажно, уже могут быть синтезированы в больших объемах. “Вы можете играть с ними [самыми разными способами]. Вы можете настраивать ионы металлов [и] функционализировать органические молекулы", - рассказал Цао.
В своем исследовании группа Цао использовала MOК, состоящие из сердечника на основе циркония с шипами на основе железа. Для создания механо-бактерицидной поверхности МОК были либо выращены непосредственно на подложке, либо нанесены сверху в полностью сформированном виде. “Таким образом, на самом деле [проще] масштабировать, потому что тогда вы можете переносить [MOК] на любой тип подложки”, - поделился Цао. Поверхности могут быть изготовлены при более низких температурах, чем, скажем, вертикальный графен, что также является преимуществом. Поверхности на основе MOК обладали бактерицидными свойствами в отношении как грамотрицательных, так и грамположительных бактерий (например, Escherichia coli и Staphylococcus epidermidis) за счет растягивания, протыкания или повреждения клеток.
Другие исследователи работают над расширением размеров поверхностей с нанопаттернами, используя альтернативные методы. Иванова и ее коллеги, например, создали полимерные пленки на основе наностержней, которые можно использовать в качестве антибактериальных упаковочных материалов, обладающих большей способностью к масштабированию. “Я уверена, что достижения в области нанотехнологий позволят нам не только добиться точного воспроизведения конкретных наночастиц на различных типах наноповерхностей, но и выйти на рынок”, - сказала она.
Очевидно, что механобактерицидные поверхности являются многообещающим инструментом в арсенале средств борьбы с биопленками. Теперь речь идет о проработке деталей, которые, например, масштабируемость, препятствуют их широкому применению. Например, накопление бактериального мусора на наноструктурах может со временем снизить бактерицидную эффективность. Интеграция функций самоочистки может помочь поддерживать наноструктуры в рабочем состоянии. Цао и его коллеги работают над комбинированием своих MOК с биоразлагаемым полимером; когда бактерии попадают на поверхность или погибают, они разрушают полимер, открывая под ним новый слой MOК. “Таким образом, мы пытаемся обеспечить долговременную защиту”. Срок службы поверхностей зависит от количества слоев MOК и их толщины.
Иванову больше заботит не столько бактериальный мусор на поверхностях с нанопаттернами (исследования, проведенные в ее лаборатории, показывают, что остатки бактериальных клеток на поверхностях настолько ничтожны, что просто растворяются), сколько повышение их общей бактерицидной эффективности. “В большинстве случаев поверхности… могут убивать бактериальные клетки, но не на 90 или 100%, а на 50 или 40%”, - отметила она. По ее мнению, даже 80-90% эффективности недостаточно. “Мы пытаемся добиться полного уничтожения бактерий на поверхностях”.
Сочетание механических средств уничтожения с химическими агентами или облучением ближним инфракрасным светом может повысить эффективность против различных микроорганизмов. Необходимо доскональное понимание того, как работают механо-бактерицидные поверхности, чтобы оптимизировать их для воздействия на различные микробные мишени. Тем не менее, вопрос не в том, будут ли применяться нанопаттерны в “реальном мире”, а в том, когда это произойдет. Исследователи лишь поверхностно изучили возможности нанотехнологий. Многие возможности все еще неясны даже тем, кто разбирается в этой области, и это самое интересное. “Для большинства из нас, работающих в науке, неожиданные результаты - это самое захватывающее”, - сказала Иванова. “Иногда ты чего—то ожидаешь, а потом получаешь что-то совершенно другое - и, возможно, это даже интереснее”.
