Monstro microscópico:um momento fortuito no laboratório levou à criação de escovas de polímero 100 vezes o tamanho normal. As escovas são visíveis ao microscópio, enquanto as escovas de polímero são geralmente detectadas com microscópios de força atômica ou outros meios não ópticos. O fraco, a linha verde na parte inferior desta foto é uma superfície em que as cerdas cresceram. As cerdas são vistas como uma massa verde-preta que atinge os pontos vermelhos da superfície. Crédito:Georgia Tech / Allison Carter
Uma idiotice de laboratório com uma enzima retirada de bactérias levou à criação do Leviatã de escovas de polímero, materiais biocompatíveis emergentes com potencial para repelir bactérias infecciosas.
Pincéis de polímero são superfícies normalmente cobertas com cerdas em nanoescala feitas de polímeros, cadeias moleculares semelhantes a espaguete que são sintetizadas quimicamente. Mas em um novo estudo, uma equipe liderada por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia descobriu uma técnica biológica para melhorar as escovas, transformando as cerdas em gigantes 100 vezes o comprimento normal.
"Estávamos colocando a enzima em uma superfície para observá-la em um experimento totalmente diferente, mas colocamos muito na superfície com muita densidade, e - bum - acabamos com o mais espesso, o pincel de polímero mais longo que já vimos ou ouvimos falar, "disse Jennifer Curtis, que liderou o estudo e é professor associado da Escola de Física da Georgia Tech. "Eles eram tão grandes que você poderia realmente vê-los em um microscópio óptico em vez de senti-los com um microscópio de força atômica ou usar outros métodos necessários para escovas de polímero mais comuns."
Os pesquisadores desviaram a atenção do estudo original para buscar o novo pincel assustadoramente grande.
Para as bactérias invadindo-os, as cerdas da escova são virtualmente impenetráveis, matagal úmido que mantém os micróbios fora das observações de laboratório. Isso impede a disseminação de biofilmes, colônias de bactérias que se unem para formar um material resistente que torna difícil matar as bactérias.
Baluarte de biofilme
"O sistema imunológico humano tem dificuldade em lidar com biofilmes. Os antibióticos também não funcionam muito bem com eles. Na filtragem de água, biofilmes podem aderir tenazmente, também. Se você tiver uma escova de hialuronano em uma superfície, um biofilme não pode grudar nele, "Curtis disse.
Hyaluronan, o composto nas cerdas, é um polissacarídeo, uma cadeia de moléculas de açúcar, e é naturalmente difundido dentro e ao redor de nossas células. Também é conhecido por seu uso em hidratantes cosméticos.
A enzima que forma as cerdas de hialuronano na escova é a sintase de hialuronano, e contorna a síntese química mais tediosa, extrudando sem esforço cerdas extremamente longas. As enzimas também podem substituir as cerdas quando se rompem, algo que os pincéis sintetizados quimicamente não podem fazer, o que limita a durabilidade dessas escovas. Ainda, o uso da sintase não é ortodoxo.
"Escovar as pessoas dizem, 'O que essas enzimas estão fazendo aqui?' porque eles estão procurando por química, e os biólogos se perguntam o que o pincel tem a ver com biologia, "Curtis disse.
A equipe publicou o novo estudo, Escovas de polímero de hialuronano gigantes autorregeneráveis, no jornal Nature Communications em dezembro de 2019. A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation.
Da esquerda para a direita:os pesquisadores Jennifer Curtis, investigador principal; Wenbin Wei, um ex-aluno de pós-doutorado no laboratório de Curtis, e Jessica Faubel, um assistente de pesquisa de pós-graduação no laboratório de Curtis. Wei e Faubel foram os primeiros autores do estudo. Crédito:Georgia Tech / Allison Carter
Projetado E. coli
Os pesquisadores criaram bactérias para produzir a enzima em excesso, inserindo genes da hialuronana sintase da bactéria Streptococcus equisimilis em E. coli então eles coletaram a enzima.
"Nós quebramos a bactéria em um monte de fragmentos pegajosos não vivos e, em seguida, aderimos sua membrana às superfícies, e a sintase extrudou os pincéis, "Curtis disse.
As enzimas podem ser ligadas e desligadas, e ajustar a concentração de sal ou pH na solução em torno das escovas faz com que as cerdas se estendam para uma forma reta ou se enrolem para uma forma retraída. Aditivos funcionais, como antibacterianos, podem ser incorporados às escovas.
Algo como um cateter poderia, um dia, ser revestido com escovas para permanecer livre de bactérias, e a espessura das escovas onduladas também atuaria como um lubrificante, evitando o contato atrito com a superfície abaixo delas. Algumas células humanas essenciais para o processo de cura são realmente capazes de penetrar nas cerdas, que poderia ter potencial para a medicina.
"Para uma ferida crônica que não cicatriza, você pode ser capaz de criar um curativo que incentive o crescimento de novas células, mas mantenha as bactérias fora, "Curtis disse.
Pesquisa biofísica
O desvio fortuito dos pesquisadores para o pincel gigante expandiu as possibilidades de sua intenção original de estudar o hialuronano enzimático isoladamente.
"Estamos constantemente lidando com o acoplamento da bioquímica, sinalização química, e mecânica, então ter algo que isole a mecânica da sinalização para que possamos nos concentrar apenas na mecânica é muito útil, "Curtis disse.
