Mostro microscopico:un momento fortuito in laboratorio ha portato alla creazione di spazzole in polimero 100 volte le dimensioni consuete. I pennelli sono visibili al microscopio, mentre le spazzole polimeriche vengono solitamente rilevate con microscopi a forza atomica o altri mezzi non ottici. il debole, la linea verde in basso in questa foto è una superficie su cui sono cresciute le setole. Le setole sono viste come una massa verde-nera che arriva fino ai puntini rossi dalla superficie. Credito:Georgia Tech/Allison Carter
Un pasticcio di laboratorio con un enzima prelevato dai batteri ha portato alla creazione del Leviatano di spazzole polimeriche, materiali biocompatibili emergenti con il potenziale per respingere i batteri infettivi.
Le spazzole polimeriche sono superfici normalmente ricoperte da setole nanometriche realizzate con polimeri, catene molecolari simili a spaghetti sintetizzate chimicamente. Ma in un nuovo studio, un team guidato da ricercatori del Georgia Institute of Technology si è imbattuto in una tecnica biologica per migliorare i pennelli facendo crescere le setole in giganti 100 volte la lunghezza normale.
"Stavamo mettendo l'enzima su una superficie per osservarlo per un esperimento completamente diverso, ma ne mettiamo troppo in superficie troppo densamente, e - boom - siamo finiti con il più grosso, la spazzola polimerica più lunga che avessimo mai visto o sentito nominare, "ha detto Jennifer Curtis, che ha guidato lo studio ed è professore associato presso la Georgia Tech's School of Physics. "Erano così grandi che potevi effettivamente vederli al microscopio ottico invece di doverli sentire con un microscopio a forza atomica o utilizzare altri metodi necessari per i più comuni pennelli polimerici".
I ricercatori hanno distolto l'attenzione dallo studio originale per perseguire il nuovo pennello stranamente grande.
Ai batteri che li invadono, le setole del pennello sono praticamente impenetrabili, boschetto soffice che tiene fuori i microbi nelle osservazioni di laboratorio. Ostacola la diffusione dei biofilm, colonie batteriche che si uniscono per formare un materiale resistente che rende difficile l'uccisione dei batteri.
Biofilm baluardo
"Il sistema immunitario umano ha difficoltà con i biofilm. Anche gli antibiotici non funzionano molto bene su di essi. Nella filtrazione dell'acqua, i biofilm possono aderire tenacemente, pure. Se hai uno spazzolino con acido ialuronico su una superficie, un biofilm non può attaccarsi ad esso, " disse Curti.
acido ialuronico, il composto nelle setole, è un polisaccaride, una catena di molecole di zucchero, ed è naturalmente diffuso dentro e intorno alle nostre cellule. È anche noto a molti per il suo uso in creme idratanti cosmetiche.
L'enzima che produce le setole di acido ialuronico sullo spazzolino è l'acido ialuronico sintasi, e aggira la sintesi chimica più noiosa estrudendo senza sforzo setole estremamente lunghe. Gli enzimi possono anche sostituire le setole quando si rompono, qualcosa che i pennelli sintetizzati chimicamente non possono fare, che limita la durata di quei pennelli. Ancora, l'uso della sintasi non è ortodosso.
"Spazzola la gente dice, "Cosa ci fanno qui questi enzimi?" perché cercano la chimica, e i biologi si chiedono cosa c'entri il pennello con la biologia, " disse Curti.
Il team ha pubblicato il nuovo studio, Spazzole giganti auto-rigeneranti in polimero ialuronico, nel diario Comunicazioni sulla natura nel dicembre 2019. La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation.
Da sinistra a destra:i ricercatori Jennifer Curtis, investigatore principale; Wenbin Wei, un ex studente post-dottorato nel laboratorio di Curtis, e Jessica Faubel, un assistente di ricerca laureato nel laboratorio di Curtis. Wei e Faubel sono stati i primi autori dello studio. Credito:Georgia Tech/Allison Carter
Ingegnerizzato E. coli
I ricercatori hanno ingegnerizzato i batteri per produrre in abbondanza l'enzima inserendo i geni della ialuronan sintasi dal batterio Streptococcus equisimilis in E. coli poi hanno raccolto l'enzima.
"Abbiamo frantumato i batteri in un mucchio di frammenti appiccicosi non viventi, quindi abbiamo fatto aderire la loro membrana alle superfici, e la sintasi estruse i pennelli, " disse Curti.
Gli enzimi possono essere attivati e disattivati, e la regolazione della concentrazione di sale o del pH nella soluzione attorno alle spazzole fa sì che le setole si estendano in una forma diritta o si arriccino in una forma retratta. Additivi funzionali come gli antibatterici potrebbero essere incorporati nelle spazzole.
Qualcosa come un catetere potrebbe plausibilmente un giorno essere rivestito con spazzole per rimanere privo di batteri, e lo spessore delle spazzole sinuose fungerebbe anche da lubrificante impedendo il contatto per attrito con la superficie sottostante. Alcune cellule umane fondamentali per il processo di guarigione sono effettivamente in grado di affondare attraverso le setole, che potrebbe avere un potenziale per la medicina.
"Per una ferita cronica che non si rimarginerà, potresti essere in grado di progettare una benda che incoraggi la crescita di nuove cellule ma tenga fuori i batteri, " disse Curti.
Ricerca biofisica
La deviazione fortuita dei ricercatori nel pennello gigante ha ampliato le possibilità per il loro intento originale di studiare l'acido ialuronico in isolamento.
"Ci occupiamo costantemente dell'accoppiamento della biochimica, segnalazione chimica, e meccanica, quindi avere qualcosa che isoli la meccanica dalla segnalazione in modo da poterci concentrare solo sulla meccanica è davvero utile, " disse Curti.
