Ao longo da última década, equipas de engenheiros, químicos e biólogos analisaram as propriedades físicas e químicas das asas de cigarra, na esperança de desvendar o segredo da sua capacidade de matar micróbios por contacto. Se esta função da natureza puder ser replicada pela ciência, poderá levar ao desenvolvimento de novos produtos com superfícies inerentemente antibacterianas que sejam mais eficazes do que os tratamentos químicos atuais.



Quando pesquisadores do Departamento de Ciência de Materiais e Engenharia Química da Universidade Stony Brook desenvolveram uma técnica simples para duplicar a nanoestrutura da asa da cigarra, ainda faltava uma informação importante:como os nanopilares em sua superfície realmente eliminam as bactérias? Felizmente, eles sabiam exatamente quem poderia ajudá-los a encontrar a resposta:Jan-Michael Carrillo, pesquisador do Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia.

Para pesquisadores de nanociência que buscam comparações computacionais e insights para seus experimentos, Carrillo fornece um serviço singular:simulações de dinâmica molecular (MD) em grande escala e alta resolução no supercomputador Summit no Oak Ridge Leadership Computing Facility no ORNL.

"Entramos imediatamente em contato com Jan-Michael e expressamos nosso interesse e motivação na possibilidade de uma simulação. Embora saibamos como funciona uma simulação MD, é um processo complicado e simplesmente não temos muita experiência em realizá-los", disse Maya Endoh , professor pesquisador em Stony Brook e coautor do artigo da equipe, publicado no início deste ano na ACS Applied Materials &Interfaces .

Obter tempo de computação no Summit não é tão fácil quanto fazer um telefonema, é claro – os pesquisadores de nanociências devem se inscrever para receber esse trabalho de simulação no CNMS, e seus projetos estão sujeitos à revisão por pares como parte do processo de inscrição. Mas esse não é o único serviço que Carrillo facilita. Além de acessar os equipamentos de última geração do CNMS para pesquisa em nanociência, ele também está numa posição única para ajudar a solicitar o tempo de feixe de nêutrons na Fonte de Nêutrons de Espalação do ORNL para experimentos futuros.

"Nossas técnicas para simulações lipídicas MD não são únicas. O que é único é que somos capazes de aproveitar os recursos do OLCF para que possamos digitalizar muitos parâmetros e fazer sistemas maiores", disse Carrillo. "O que também é interessante é o SNS do ORNL - suas técnicas correspondem à escala de tempo das simulações MD. Portanto, planejamos comparar alguns dos resultados das simulações MD diretamente com os resultados no SNS, bem como com experimentos aqui no CNMS."

Replicando o assassino de micróbios da natureza

Endoh, de Stony Brook, e Tadanori Koga, professor associado, decidiram investigar as asas de cigarra depois de se inspirarem em um artigo de pesquisa de 2012 publicado na revista Small que detalhou sua capacidade de perfurar células bacterianas com resultados letais. Como pesquisadores em ciência de materiais poliméricos, Endoh e Koga procuraram replicar os nanopilares das asas com automontagem direcionada.

A automontagem é um processo que utiliza copolímeros em bloco constituídos por dois ou mais homopolímeros quimicamente distintos que estão conectados por uma ligação covalente. Os materiais oferecem uma rota simples e eficaz para fabricar nanoestruturas periódicas densas e altamente ordenadas, com fácil controle de seus parâmetros geométricos em áreas arbitrariamente grandes. Por exemplo, os nanopilares nas asas de uma cigarra geralmente têm altura e espaçamento de 150 nanômetros, mas variar essas dimensões teve resultados interessantes.

“A asa da cigarra tem uma estrutura de pilares muito boa, então decidimos usar. Mas também queríamos otimizar a estrutura”, disse Koga. “Neste momento sabemos que a asa da cigarra pode impedir a adesão de bactérias, mas o mecanismo não está claro. Então, queríamos controlar o tamanho e a altura do pilar e o espaçamento entre os pilares. qual parâmetro geométrico é crucial para matar bactérias. Essa é a ideia deste projeto."

Daniel Salatto, pesquisador convidado do Laboratório Nacional de Brookhaven, foi encarregado de construir as nanosuperfícies e conduzir experimentos nelas. Para imitar a asa de uma cigarra, ele usou um polímero amplamente utilizado em embalagens, especificamente um copolímero dibloco de poliestireno-bloco-poli(metacrilato de metila).

"Nossa abordagem original para tornar os pilares bactericidas é muito simples - o polímero dibloco tecnicamente pode criar a nanoestrutura por si só, desde que controlemos o meio ambiente", disse Endoh. "Além disso, não precisamos de um tipo específico de polímero. É por isso que começamos com o poliestireno - o poliestireno existe em toda a nossa vida diária. E mesmo que usemos um polímero comum, podemos ter a mesma propriedade ou semelhante que o mostra a propriedade bactericida da coluna de asa de cigarra.

Testando resultados experimentalmente, virtualmente

Salatto testou em laboratório a eficácia das nanosuperfícies contra bactérias, incubando-as em caldos de Escherichia coli e Listeria monocytogenes. Uma vez extraídas, as amostras foram examinadas por microscopia fluorescente e espalhamento de raios X de pequeno ângulo com incidência de pastoreio na Fonte de Luz Síncrotron Nacional II do Laboratório Brookhaven para determinar o que havia acontecido com as bactérias. As nanosuperfícies não apenas mataram as bactérias que as tocaram, mas também não acumularam bactérias mortas ou detritos nas superfícies.

“Sabe-se que às vezes, quando as células das bactérias morrem e são absorvidas pelas superfícies, seus detritos permanecem na superfície e, portanto, tornam o ambiente melhor para seus irmãos entrarem e absorverem sobre elas”, disse Salatto. “É aí que você vê muitos materiais biomédicos falharem, porque não há nada que resolva os detritos que funcione bem sem usar produtos químicos que mais ou menos possam ser tóxicos para os ambientes circundantes”.

Mas como os pilares da nanosuperfície conseguiram esse extermínio bacteriano? É aí que as simulações de Carrillo fornecem algumas pistas para o mistério, mostrando como e onde a membrana celular da bactéria se esticou e entrou em colapso dentro da estrutura local dos pilares.

Para o projeto Stony Brook, Carrillo executou uma simulação MD que consistia em cerca de um milhão de partículas. A magnitude do modelo deveu-se às múltiplas escalas de comprimento que estão sendo investigadas, ao tamanho da molécula lipídica e como ela se organiza em torno dos pilares da nanosuperfície, às dimensões dos pilares e às escalas de comprimento das flutuações da membrana.

“Os resultados da simulação demonstraram que quando há forte interação entre a bactéria e o substrato da nanosuperfície, as cabeças lipídicas absorvem fortemente as superfícies dos pilares hidrofílicos e adaptam o formato da membrana à estrutura ou curvatura dos pilares”, disse Carrillo. "Uma interação atrativa mais forte incentiva ainda mais a fixação adicional da membrana às superfícies dos pilares. As simulações sugerem que a ruptura da membrana ocorre quando os pilares geram tensão suficiente dentro da bicamada lipídica fixada nas bordas dos pilares."

Esta descoberta foi uma surpresa para a equipa de Stony Brook, que esperava que imitar de perto o design original da natureza proporcionaria os melhores resultados. Mas as suas amostras de melhor desempenho não tinham a mesma estrutura ou altura dos nanopilares da asa da cigarra.

"Pensamos que a altura seria importante para a nanoestrutura porque originalmente esperávamos que a altura dos pilares funcionasse como uma agulha para perfurar a membrana da bactéria. Mas não é assim que pensávamos. Mesmo que a altura dos nanopilares seja curta, o as bactérias ainda morreram automaticamente", disse Endoh. "Além disso, inesperadamente, não vimos nenhuma absorção na superfície, por isso é autolimpante. Acreditava-se que isso se devia ao fato de o inseto mover suas asas para sacudir os detritos. Mas com nossa metodologia e estruturas, provamos que eles naturalmente matam e limpam sozinhos."

A equipe continuará usando simulações para desenvolver uma imagem mais completa dos mecanismos em jogo, particularmente a funcionalidade de autolimpeza, antes de aplicar a nanosuperfície a dispositivos biomédicos.

Quanto a Carrillo, ele continuará seus próprios estudos de sistemas anfifílicos de bicamadas semelhantes a lipídios, ao mesmo tempo em que estará pronto para auxiliar outros pesquisadores de nanociências que possam precisar da ajuda do CNMS, OLCF ou SNS.

Mais informações: Daniel Salatto et al, Projeto baseado em estrutura de nanosuperfícies duplas bactericidas e liberadoras de bactérias, ACS Applied Materials &Interfaces (2023). DOI:10.1021/acsami.2c18121
Informações do diário: Materiais Aplicados e Interfaces ACS , Pequeno

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge