Vinger af cikader er dækket af bakteriedræbende mikroskulptur • Roman Rakitov • Videnskabsnyheder om "Elementer" • Entomologi, biofysik, bionanoteknologi

Vingerne af cikader er dækket af bakteriedræbende mikroskulptur

Fig. 1. A. Sang cicada Psaltoda claripennis (foto fra www.pbase.com). V. Overfladen af ​​en cikadas vinge i et scanningselektronmikroskop; skalaen er 2 μm i længden (foto fra det diskuterede arbejde af Ivanova et al., 2012). C. bakterier Pseudomonas aeruginosa i et scanningselektronmikroskop (foto fra commons.wikimedia.org). D. Bakterier af denne art dræbt på overfladen af ​​en cikadas vinge, fotograferet i et scanningselektronmikroskop (foto fra det diskuterede arbejde Ivanova et al., 2012)

I 2012 rapporterede et team af forskere, der studerede, hvordan man beskytter materialer mod forurening med mikrobielle film, om opdagelsen af ​​en uventet effekt: bakterier, der holder sig til vingerne af cikader i et vandigt medium, brister og dør. Det viste sig, at denne effekt ikke er bestemt af vingeoverfladenes biologiske eller kemiske egenskaber, men ved dets særlige relief: et tæppe af mikroskopiske rygsøjler. I februar i år fremsætter den samme gruppe forskere en hypotese, der forklarer, hvordan den dødelige mikroskulptur virker. Moderne nanoteknologi kan let reproducere det, så i nær fremtid kan dette princip føre til oprettelsen af ​​en ny klasse kunstige bakteriedræbende materialer.

Sang Cicada Wings Psaltoda claripennis se gennemsigtigt som glas (fig.1A), men ved høj forstørrelse kan det ses, at deres overflade er tæt spidset med rygsøjler omkring 200 nm i højden og med en basediameter på 100 nm (figur 1B). En gruppe forskere fra flere institutter i Australien og Spanien spekulerede på, om en sådan nanorelief kan forhindre bakterier i at lægge sig i vandmiljøet (beskyttelse af overflader mod mikrobiel fouling er en akut opgave inden for ingeniør og medicin). Vingen blev nedsænket i en opløsning indeholdende Pseudomonas aeruginosa – den allestedsnærværende stangformede bakterie, der er i stand til at initiere visse humane sygdomme (figur 1C). På trods af den ujævne overflade klæbte bakterierne i store mængder, dog som regel inden for 5 minutter efter kontakt døde de. Denne proces kunne observeres ved hjælp af et laser-konfokalt mikroskop i nærværelse af fluorescerende farvestoffer, som binder anderledes end levende, døende og døde celler, hvilket får dem til at lyse i forskellige farver.

Når vingerne blev tørret og undersøgt i et scanningelektronmikroskop viste det sig, at de blev plasteret med tomme bakteriehuler, der blev presset ind i rygsøjlen (figur 1D). Da undersøgelsen i et scanningsmikroskop udføres i vakuum og kræverforudfortørring af prøven var det muligt at mistanke om, at bakterierne påtager sig dette udseende som forberedelse til mikroskopi. Forskerne lykkedes imidlertid at registrere ødelæggelsen af ​​bakterien i kontakt med vingen og dens indrykning i reliefen direkte i vandmiljøet ved hjælp af et atomkraftmikroskop (se detaljer i figur 2). Det er bemærkelsesværdigt, at dette skete i tilfælde, hvor der blev sprøjtet en tynd guldfilm (10 nm) på vingerne ved hjælp af en magnetron før forsøget. Da skulpturen af ​​forgyldte vinger praktisk taget ikke adskiller sig fra den naturlige, og deres kemiske egenskaber ændres radikalt, viste dette eksperiment, at det er overfladesculpturen, der ødelægger bakterier.

Fig. 2. Ødelæggelsen af ​​en bakteriel celle på spinde af en cicadavinge, sporet direkte i et vandigt medium (ikke vist) ved anvendelse af et atomkraftmikroskop (AFM). Sondens position blev optaget i form af en tynd elastisk stang med en nanostørret spids i den ende, der var i kontakt med bakterien. Grafen viser, at sonden efter den første periode med glat sænkning faldt gradvist ned i spidsens tæppe, faldt kraftigt med 200 nm, hvilket svarer til højden af ​​rygsøjlen, det vil sige at bakterien briste.Tal fra artiklen under drøftelse Ivanova et al., 2012

Siden XIX århundrede er bakterier opdelt i to grupper – gram-positive og gram-negative; den første gruppe er farvet ved Gram-metoden, og den anden henholdsvis er ikke farvet, hvilket afspejler forskellene i strukturen og sammensætningen af ​​cellevæggen af ​​bakterier i disse grupper. I deres næste arbejde sammenlignede forfatterne vingenes handling Psaltoda claripennis på 4 typer gram-negative og 3 typer gram-positive bakterier. Det viste sig, at den bakteriedræbende effekt kun observeres i forhold til gram-negativ og afhænger ikke af formen af ​​bakterieceller (sticks eller cocci). Da skallerne fra de fleste gram-positive bakterier er mere holdbare, konkluderede forfatterne, at fænomenet er baseret på samspillet mellem fløjens overflade og bakteriens shell.

I deres sidste artikel foreslog forfatterne en hypotetisk forklaring på den effekt, de opdagede og støttede den med beregninger. Da rygsøjlen er meget mindre end bakterierne, ignorerer den foreslåede model (figur 3) formen af ​​sidstnævnte og beskriver interaktionen mellem rygsækkenet og den plane overflade af bakterien. På den anden side, da tykkelsen af ​​bakterieskallen – ca. 10 nm – er lille sammenlignet med højden af ​​rygsøjlen, kan denne skal betragtes som en elastisk membran.Det antages, at adhæsionskræfterne (limning) har tendens til at øge kontaktområdet efter bakteriens indledende kontakt med spidsens spidser. Spinesne trækkes gradvist ind i bakterierne, dens skal deformeres, og dele af skallen i intervallerne mellem rygsøjlen strækkes, indtil der er brud. Beregninger viste, at i denne model gennemboret spinesne simpelthen skallen (som en hedgehog-ballon), deres toppe skulle være meget skarpere, med en radius på ca. 1 nm.

Fig. 3. En hypotese, der forklarer, hvordan deformation og ødelæggelse af bakteriekappen på en cicadafløj dækket med mikrolagre med afrundede toppe (vandmiljø ikke vist) forekommer. grøn sektioner af bakteriemembranen, der klæber til spines, er vist, og appelsin – plots i intervaller mellem rygsøjler. Væksten i kontaktområder fører til brud på skallen mellem rygsøjler (bundbillede). Figur fra den diskuterede artikel Pogodin et al., 2013

Opførelsen af ​​dette system bestemmes af styrken af ​​klæbende interaktion, spidsernes geometri, såvel som styrken og fleksibiliteten af ​​bakteriemuren.(Bemærk at modellen ignorerer samspillet mellem begge overflader med den omgivende væske, hvilket kan være en alvorlig ulempe.) Vægens fleksibilitet afhænger af det intracellulære tryk, det vil sige turgor: Jo højere det er, desto stærkere modstår deformationen deformationen. For at teste denne ide bestrålede forfatterne tre typer gram-positive bakterier med mikrobølger – normalt resistente over for dødelig skulptur. Som følge af denne behandling bliver bakteriemembranerne gennemtrængelige i nogen tid, hvilket fører til et delvis tab af turgor. Faktisk mistede de bestrålede bakterier deres modstand og døde på tæpperne af rygsøjler såvel som gram-negative former.

Hvis den nye effekt bekræftes af uafhængige forskerhold, vil kunstige overflader med bakteriedræbende mikroskulpturer uden tvivl finde forskellige anvendelser, på trods af at forskernes oprindelige opgave – for at beskytte overfladen mod fouling med mikrobiell biofilm – de bare ikke løser. Tværtimod bemærkede forfatterne, at overfladen af ​​en cicadas fløj, lag for lag, var dækket af tomme bakteriehuler.

Afslutningsvis er det værd at huske om de syngende cikader selv.Mest sandsynligt de beskrevne baktericide egenskaber af overfladen af ​​vingerne Psaltoda claripennis er ikke en beskyttende biologisk tilpasning af disse insekter. For det første er penetration af patogene mikrober ind i insektet gennem vingemembranen (faktisk en død organisk film, der ikke giver adgang til kropshulrummet og levende væv) næsten umuligt. For det andet er voksen sang cikader terrestriske insekter, der indeholder deres vinger i tørhed. Nylige undersøgelser (se: Sun et al., 2012. Indflydelse af Cuticle Nanostructures på Wetting Adfærd / Stater på Cicada Wings) har vist, at kun en skulptur af mikroskopiske rygsøjler gør vingerne til at synge cikadas usædvanligt vandafvisende ("lotus effekt"). Det bør antages, at forfatterne var heldige at finde for denne struktur en nyttig anvendelse ud over den biologiske kontekst, hvori den stammer fra og eksisterer i naturen.

kilder:
1) Elena P. Ivanova, Jafar Hasan, Hayden K. Webb, Khanh Truong, Gregory S. Watson, Jolanta A. Watson, Vladimir A. Baulin, Sergey Pogodin, James Y. Wang, Mark J. Tobin, Christian Löbbe, Russell J. Crawford. Naturlige bakteriedræbende overflader: mekanisk brud på Pseudomonas aeruginosa celler af cicada vinger lille. 2012. V. 8 (16). P. 2489-94. Doi: 10.1002 / smll.201200528.
2) Jafar Hasan, Hayden K. Webb, Vi Khanh Truong, Sergey Pogodin, Vladimir A. Baulin, Gregory S. Watson, Jolanta A. Watson, Russell J. Crawford, Elena P. Ivanova. Selektiv baktericid aktivitet af nanopatterneret superhydrofob cicada Psaltoda claripennis fløjflader // Anvendt mikrobiologi og bioteknologi. 2012. Doi: 10.1007 / s00253-012-4628-5.
3) Sergey Pogodin, Jafar Hasan, Vladimir A. Baulin, Hayden K. Webb, Vi Khanh Truong, Hong Phong Nguyen, Veselin Boshkovikj, Christopher J. Fluke, Gregory S. Watson, Jolanta A. Watson, Russell J. Crawford og Elena P. Ivanova. Biofysisk model af bakterielle celleinteraktioner med nanopatternede cicadafløjflader // Biophysical journal. 2013. V. 104 (4). P. 835-40. Doi: 10.1016 / j.bpj.2012.12.046.

Romersk Rakitov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: