Воздействие наноструктур поверхностей крылышек на бактерии оказалось сложнее, чем ранее считали ученые, и может помочь изготовить биомедицинские изделия, одновременно работающие против инфекции и на приживаемость.
Анализ поперечных срезов E.coli, закрепленной между двумя нанопилларами из оксида титана, проводился при помощи электронного микроскопа с фокусирующим ионным пучком. Были получены 120 срезов (30 нм каждый). Анализ показал, что нанопиллары вызвали деформацию бактерии, сжав ее на 189 нм. Несмотря на заметную деформацию клеточной стенки, ее целостность не была нарушена /© Professor Bo Su, University of Bristol
Команда из Университета Бристоля выяснила, как особые наноструктуры, покрывающие крылышки, например цикад или стрекоз, способны вредить попадающим на них бактериям — и как это можно использовать в специальных медицинских имплантах. Статью о своем открытии авторы опубликовали в издании Nature Communications.
Чтобы детально рассмотреть, как работают эти структуры, исследователи воспользовались рядом специальных средств визуализации, а также функциональным и протеомным анализами. Ученые надеются, что новые данные помогут разработать более эффективные антимикробные поверхности для потенциального биомедицинского применения в разных областях: например, для медицинских имплантов и устройств.
При детальном рассмотрении поверхность крылышка выглядит не плоской, а похожей на мегаполис, плотно застроенный высотными зданиями. Крошечные столбчатые структуры высотой около 200 нанометров (миллиардных частей метра) называются нанопилларами. Эти «небоскребы» микроскопического размера и есть те самые наноструктуры, которые помогают насекомым не допускать вольготной бактериальной жизни на своих крыльях.
Автор работы, профессор Бо Су, отмечает: ранее предполагалось, что антибактериальные свойства этих структур основаны исключительно на физическом прокалывании стенки бактериальных клеток, приводя к лизису. Однако данные, озвученные в статье, показывают, что на самом деле эти свойства многокомпонентны и зависят от различных факторов, таких как нанотопография, и вида микроорганизмов.
«В этой работе мы стремились лучше понять опосредованные наночастицами бактерицидные механизмы. <…> Наряду с деформацией и последующим прорывом бактериальных клеточных оболочек нанопилларами мы обнаружили, что ключом к антибактериальным свойствам этих нанопилларов также могут быть кумулятивные эффекты физического импеданса и индукции окислительного стресса, особенно для грамотрицательных бактерий», — поясняет профессор Су.
Новые данные и углубленное понимание помогут лучше приспособить механизмы, отлаженные насекомыми за миллионы лет эволюции, для использования в медицине. Расширенное понимание взаимодействий наночастиц с бактериями может лечь в основу разработки улучшенных биоматериалов и различных антибактериальных нанопокрытий.
В качестве дальнейшего шага по изучению в этом направлении авторы предполагают начать изучение реакции стволовых клеток человека на такие нанопиллары. Это послужит разработке клеточно-инструктивных имплантов. В перспективе такие технологичные изделия смогут одновременно предотвращать бактериальную инфекцию и способствовать интеграции тканей.
