Durante la última década, equipos de ingenieros, químicos y biólogos han analizado las propiedades físicas y químicas de las alas de las cigarras, con la esperanza de descubrir el secreto de su capacidad para matar microbios al contacto. Si la ciencia puede replicar esta función de la naturaleza, puede llevar al desarrollo de nuevos productos con superficies inherentemente antibacterianas que sean más efectivas que los tratamientos químicos actuales.
Cuando los investigadores del Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Química de la Universidad Stony Brook desarrollaron una técnica simple para duplicar la nanoestructura del ala de la cigarra, todavía les faltaba una información clave:¿Cómo eliminan realmente las bacterias los nanopilares de su superficie? Afortunadamente, sabían exactamente quién podría ayudarlos a encontrar la respuesta:Jan-Michael Carrillo, investigador del Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía.
Para los investigadores de nanociencia que buscan comparaciones computacionales y conocimientos para sus experimentos, Carrillo ofrece un servicio singular:simulaciones de dinámica molecular (MD) de alta resolución y gran escala en la supercomputadora Summit en Oak Ridge Leadership Computing Facility en ORNL.
"Nos pusimos inmediatamente en contacto con Jan-Michael y le expresamos nuestro interés y motivación por la posibilidad de realizar una simulación. Aunque sabemos cómo funciona una simulación MD, es un proceso complicado y simplemente no tenemos mucha experiencia en su realización", dijo Maya Endoh. , profesor de investigación en Stony Brook y coautor del artículo del equipo, que se publicó a principios de este año en ACS Applied Materials &Interfaces .
Por supuesto, conseguir tiempo de cálculo en Summit no es tan fácil como hacer una llamada telefónica:los investigadores en nanociencia deben presentar una solicitud para recibir dicho trabajo de simulación en el CNMS, y sus proyectos están sujetos a revisión por pares como parte del proceso de solicitud. Pero ese no es el único servicio que facilita Carrillo. Más allá de acceder al equipo de última generación del CNMS para la investigación en nanociencia, también se encuentra en una posición única para ayudar a solicitar tiempo de haz de neutrones en la fuente de neutrones de espalación de ORNL para experimentos futuros.
"Nuestras técnicas para simulaciones de MD de lípidos no son únicas. Lo que es único es que podemos aprovechar los recursos del OLCF para poder escanear muchos parámetros y crear sistemas más grandes", dijo Carrillo. "Lo que también es interesante es el SNS de ORNL:sus técnicas coinciden con la escala de tiempo de las simulaciones MD. Por lo tanto, planeamos comparar algunos de los resultados de las simulaciones MD directamente con los resultados en SNS, así como con los experimentos aquí en el CNMS". P>
Endoh de Stony Brook y Tadanori Koga, profesor asociado, decidieron investigar las alas de las cigarras después de inspirarse en un artículo de investigación de 2012 publicado en la revista Small. que detallaba su capacidad para perforar células bacterianas con resultados letales. Como investigadores en ciencia de materiales poliméricos, Endoh y Koga intentaron replicar los nanopilares de las alas mediante autoensamblaje dirigido.
El autoensamblaje es un proceso que utiliza copolímeros en bloque formados por dos o más homopolímeros químicamente distintos que están conectados por un enlace covalente. Los materiales ofrecen una ruta simple y eficaz para fabricar nanoestructuras periódicas densas y altamente ordenadas con un fácil control de sus parámetros geométricos en áreas arbitrariamente grandes. Por ejemplo, los nanopilares de las alas de una cigarra generalmente tienen una altura y una separación de 150 nanómetros, pero variar esas dimensiones produjo resultados interesantes.
"El ala de la cigarra tiene una estructura de pilares realmente bonita, así que eso es lo que decidimos usar. Pero también queríamos optimizar la estructura", dijo Koga. "En este momento, sabemos que el ala de la cigarra puede prevenir la adhesión de bacterias, pero el mecanismo no está claro. Entonces, queríamos controlar el tamaño y la altura del pilar y el espacio entre los pilares. Y luego quisimos ver qué parámetro geométrico es crucial para matar las bacterias. Esa es la idea de este proyecto".
A Daniel Salatto, investigador invitado del Laboratorio Nacional Brookhaven, se le encomendó la tarea de construir las nanosuperficies y realizar experimentos en ellas. Para imitar el ala de una cigarra, utilizó un polímero ampliamente utilizado en envases, específicamente un copolímero dibloque de poliestireno, bloque y poli(metacrilato de metilo).
"Nuestro enfoque original para hacer que los pilares sean bactericidas es muy simple:técnicamente el polímero dibloque puede crear la nanoestructura por sí solo siempre que controlemos el medio ambiente", dijo Endoh. "Además, no necesitamos tener un tipo específico de polímero. Por eso comenzamos con el poliestireno; el poliestireno existe en todas partes de nuestra vida diaria. Y aunque usemos un polímero común, podemos tener la misma propiedad o una similar que el Se muestra la propiedad bactericida de la columna del ala de la cigarra."
Probar los resultados de forma experimental y virtual
Salatto probó en laboratorio la eficacia de las nanosuperficies contra bacterias incubándolas en caldos de Escherichia coli y Listeria monocytogenes. Una vez extraídas, las muestras se examinaron mediante microscopía fluorescente y dispersión de rayos X de ángulo pequeño con incidencia rasante en la Fuente de Luz Sincrotrón Nacional II del Laboratorio Brookhaven para determinar qué había sucedido con las bacterias. Las nanosuperficies no sólo habían matado las bacterias que las tocaban, sino que tampoco habían acumulado bacterias muertas ni residuos en las superficies.
"Se sabe que a veces, cuando las células bacterianas mueren y se absorben en las superficies, sus desechos permanecerán en la superficie y, por lo tanto, crearán un mejor ambiente para que sus hermanos entren y absorban encima de ellas", dijo Salatto. "Ahí es donde se ve que muchos materiales biomédicos fallan, porque no hay nada que aborde los desechos que funcione bien sin utilizar productos químicos que más o menos podrían ser tóxicos para el entorno circundante".
Pero, ¿cómo lograron los pilares de la nanosuperficie esta exterminación bacteriana? Ahí es donde las simulaciones de Carrillo proporcionan algunas pistas sobre el misterio al mostrar cómo y dónde la membrana celular de la bacteria se estiró y colapsó dentro de la estructura local de los pilares.
Para el proyecto Stony Brook, Carrillo realizó una simulación MD que constaba de alrededor de un millón de partículas. La magnitud del modelo se debió a las múltiples escalas de longitud que se investigaron, el tamaño de la molécula de lípido y cómo se organiza alrededor de los pilares de la nanosuperficie, las dimensiones de los pilares y las escalas de longitud de las fluctuaciones de la membrana.
"Los resultados de la simulación demostraron que cuando hay una fuerte interacción entre la bacteria y el sustrato de la nanosuperficie, las cabezas de lípidos se absorben fuertemente en las superficies de los pilares hidrófilos y ajustan la forma de la membrana a la estructura o curvatura de los pilares", dijo Carrillo. "Una interacción atractiva más fuerte fomenta aún más la unión de la membrana a las superficies de los pilares. Las simulaciones sugieren que la ruptura de la membrana se produce cuando los pilares generan suficiente tensión dentro de la bicapa lipídica sujeta a los bordes de los pilares".
Este hallazgo fue una sorpresa para el equipo de Stony Brook, que esperaba que imitar fielmente el diseño original de la naturaleza proporcionaría los mejores resultados. Pero sus muestras de mejor rendimiento no tenían la misma estructura o altura que los nanopilares del ala de la cigarra.
"Pensamos que la altura sería importante para la nanoestructura porque originalmente esperábamos que la altura de los pilares actuara como una aguja para perforar la membrana de la bacteria. Pero no es así como pensábamos. Aunque la altura de los nanopilares es corta, la las bacterias todavía morían automáticamente", dijo Endoh. "Además, inesperadamente, no vimos ninguna absorción en la superficie, por lo que es autolimpiante. Se pensó que esto se debía a que el insecto movía sus alas para sacudirse los escombros. Pero con nuestra metodología y estructuras, demostramos que naturalmente matan y limpian por sí mismos."
El equipo seguirá utilizando simulaciones para desarrollar una imagen más completa de los mecanismos en juego, en particular la funcionalidad de autolimpieza, antes de aplicar la nanosuperficie a los dispositivos biomédicos.
En cuanto a Carrillo, continuará sus propios estudios sobre sistemas de bicapas similares a lípidos anfifílicos, mientras se mantiene listo para ayudar a otros investigadores de nanociencia que puedan necesitar la ayuda del CNMS, OLCF o SNS.
Más información: Daniel Salatto et al, Diseño basado en estructuras de nanosuperficies duales bactericidas y liberadoras de bacterias, Interfaces y materiales aplicados ACS (2023). DOI:10.1021/acsami.2c18121
Información de la revista: Interfaces y materiales aplicados de ACS , Pequeño
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
