Negli ultimi dieci anni, team di ingegneri, chimici e biologi hanno analizzato le proprietà fisiche e chimiche delle ali delle cicale, sperando di svelare il segreto della loro capacità di uccidere i microbi al contatto. Se questa funzione della natura potesse essere replicata dalla scienza, ciò potrebbe portare allo sviluppo di nuovi prodotti con superfici intrinsecamente antibatteriche che sono più efficaci degli attuali trattamenti chimici.
Quando i ricercatori del Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica della Stony Brook University svilupparono una semplice tecnica per duplicare la nanostruttura dell'ala della cicala, mancava ancora un'informazione chiave:in che modo i nanopilastri sulla sua superficie eliminano effettivamente i batteri? Per fortuna, sapevano esattamente chi poteva aiutarli a trovare la risposta:Jan-Michael Carrillo, un ricercatore del Center for Nanophase Materials Sciences presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia.
Per i ricercatori di nanoscienze che cercano confronti computazionali e approfondimenti per i loro esperimenti, Carrillo fornisce un servizio unico:simulazioni di dinamica molecolare (MD) su larga scala e ad alta risoluzione sul supercomputer Summit presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility presso ORNL.
"Abbiamo immediatamente contattato Jan-Michael ed espresso il nostro interesse e la nostra motivazione per la possibilità di una simulazione. Anche se sappiamo come funziona una simulazione MD, è un processo complicato e non abbiamo molta esperienza nel realizzarle", ha affermato Maya Endoh , professore di ricerca presso Stony Brook e coautore dell'articolo del team, pubblicato all'inizio di quest'anno in ACS Applied Materials &Interfaces .
Ottenere tempo di elaborazione su Summit non è facile come fare una telefonata, ovviamente:i ricercatori di nanoscienze devono fare domanda per ricevere questo lavoro di simulazione al CNMS, e i loro progetti sono soggetti a peer review come parte del processo di candidatura. Ma questo non è l'unico servizio offerto da Carrillo. Oltre ad accedere alle apparecchiature all'avanguardia del CNMS per la ricerca sulle nanoscienze, è anche in una posizione unica per aiutare a richiedere il tempo del fascio di neutroni presso la sorgente di neutroni a spallazione dell'ORNL per esperimenti futuri.
"Le nostre tecniche per le simulazioni MD dei lipidi non sono uniche. Ciò che è unico è che siamo in grado di sfruttare le risorse dell'OLCF in modo da poter scansionare molti parametri e realizzare sistemi più grandi", ha affermato Carrillo. "Ciò che è interessante è anche l'SNS di ORNL:le loro tecniche corrispondono alla scala temporale delle simulazioni MD. Quindi, abbiamo in programma di confrontare alcuni dei risultati delle simulazioni MD direttamente con i risultati in SNS e con gli esperimenti qui nel CNMS."
Endoh di Stony Brook e Tadanori Koga, un professore associato, hanno deciso di studiare le ali delle cicale dopo essere stati ispirati da un articolo di ricerca del 2012 pubblicato sulla rivista Small che descrivevano in dettaglio la loro capacità di perforare le cellule batteriche con risultati letali. Come ricercatori nel campo della scienza dei materiali polimerici, Endoh e Koga hanno cercato di replicare i nanopilastri delle ali con l'autoassemblaggio diretto.
L'autoassemblaggio è un processo che utilizza copolimeri a blocchi costituiti da due o più omopolimeri chimicamente distinti collegati da un legame covalente. I materiali offrono un percorso semplice ed efficace per fabbricare nanostrutture periodiche dense e altamente ordinate con un facile controllo dei loro parametri geometrici su aree arbitrariamente grandi. Ad esempio, i nanopilastri sulle ali di una cicala hanno generalmente un'altezza e una spaziatura di 150 nanometri, ma variando tali dimensioni si sono ottenuti risultati interessanti.
"L'ala della cicala ha una struttura a pilastri davvero bella, quindi è quello che abbiamo deciso di utilizzare. Ma volevamo anche ottimizzare la struttura", ha detto Koga. "In questo momento sappiamo che l'ala della cicala può impedire l'adesione dei batteri, ma il meccanismo non è chiaro. Quindi, volevamo controllare le dimensioni e l'altezza del pilastro e la spaziatura tra i pilastri. E poi volevamo vedere quale parametro geometrico è cruciale per uccidere i batteri, questa è l'idea centrale di questo progetto."
Daniel Salatto, ricercatore ospite presso il Brookhaven National Laboratory, è stato incaricato di costruire le nanosuperfici e condurre esperimenti su di esse. Per imitare l'ala di una cicala, ha utilizzato un polimero ampiamente utilizzato negli imballaggi, in particolare un copolimero diblocco di polistirene-blocco-poli(metilmetacrilato).
"Il nostro approccio originale per rendere battericidi i pilastri è molto semplice:tecnicamente il polimero diblocco può creare la nanostruttura da solo purché controlliamo l'ambiente", ha affermato Endoh. "Inoltre, non abbiamo bisogno di un tipo specifico di polimero. Ecco perché abbiamo iniziato con il polistirene:il polistirene esiste ovunque nella nostra vita quotidiana. E anche se utilizziamo un polimero comune, possiamo avere la stessa o simile proprietà del vengono mostrate le proprietà battericide della colonna dell'ala della cicala."
Testare i risultati sperimentalmente, virtualmente
Salatto ha testato in laboratorio l'efficacia delle nanosuperfici contro i batteri incubandole in brodi di Escherichia coli e Listeria monocytogenes. Una volta estratti, i campioni sono stati esaminati mediante microscopia a fluorescenza e diffusione di raggi X a piccolo angolo con incidenza radente presso la National Synchrotron Light Source II del Brookhaven Lab per determinare cosa era successo ai batteri. Non solo le nanosuperfici avevano ucciso i batteri che le toccavano, ma non avevano nemmeno accumulato batteri morti o detriti sulle superfici.
"È noto che a volte, quando le cellule batteriche muoiono e vengono assorbite dalle superfici, i loro detriti rimangono sulla superficie e quindi creano un ambiente migliore per i loro fratelli che entrano e vengono assorbiti sopra di loro", ha detto Salatto. "È qui che molti materiali biomedici falliscono, perché non c'è nulla che affronti i detriti che funzioni bene senza l'uso di sostanze chimiche che più o meno potrebbero essere tossiche per gli ambienti circostanti."
Ma come hanno fatto i pilastri della nanosuperficie a raggiungere questo sterminio batterico? È qui che le simulazioni di Carrillo forniscono alcuni indizi sul mistero, mostrando come e dove la membrana cellulare dei batteri si è allungata e collassata all'interno della struttura locale dei pilastri.
Per il progetto Stony Brook, Carrillo ha eseguito una simulazione MD che consisteva di circa un milione di particelle. La grandezza del modello era dovuta alle molteplici scale di lunghezza indagate, alla dimensione della molecola lipidica e al modo in cui si dispone attorno ai pilastri della nanosuperficie, alle dimensioni dei pilastri e alle scale di lunghezza delle fluttuazioni della membrana.
"I risultati della simulazione hanno dimostrato che quando c'è una forte interazione tra il batterio e il substrato della nanosuperficie, le teste lipidiche assorbono fortemente sulle superfici dei pilastri idrofili e conformano la forma della membrana alla struttura o alla curvatura dei pilastri", ha detto Carrillo. "Un'interazione attrattiva più forte incoraggia ulteriormente l'attacco aggiuntivo della membrana alle superfici dei pilastri. Le simulazioni suggeriscono che la rottura della membrana si verifica quando i pilastri generano una tensione sufficiente all'interno del doppio strato lipidico bloccato ai bordi dei pilastri."
Questa scoperta è stata una sorpresa per il team di Stony Brook, che si aspettava che un'imitazione fedele del design originale della natura avrebbe fornito i risultati migliori. Ma i campioni con le migliori prestazioni non avevano la stessa struttura o altezza dei nanopilastri dell'ala della cicala.
"Abbiamo pensato che l'altezza sarebbe stata importante per la nanostruttura perché inizialmente ci aspettavamo che l'altezza dei pilastri agisse come un ago per forare la membrana dei batteri. Ma non è così che pensavamo. Anche se l'altezza dei nanopilastri è breve, i batteri morivano comunque automaticamente," ha detto Endoh. "Inoltre, inaspettatamente, non abbiamo notato alcun assorbimento sulla superficie, quindi è autopulente. Si pensava che ciò fosse dovuto al movimento delle ali dell'insetto per scrollarsi di dosso i detriti. Ma con la nostra metodologia e le nostre strutture, lo dimostriamo semplicemente uccidono e puliscono naturalmente da soli."
Il team continuerà a utilizzare simulazioni per sviluppare un quadro più completo dei meccanismi in gioco, in particolare della funzionalità autopulente, prima di applicare la nanosuperficie ai dispositivi biomedici.
Per quanto riguarda Carrillo, continuerà i suoi studi sui sistemi anfifilici a doppio strato lipidico, restando pronto ad assistere altri ricercatori di nanoscienze che potrebbero aver bisogno dell'aiuto di CNMS, OLCF o SNS.
Ulteriori informazioni: Daniel Salatto et al, Progettazione basata sulla struttura di nanosuperfici doppie battericide e a rilascio di batteri, Materiali e interfacce applicati ACS (2023). DOI:10.1021/acsami.2c18121
Informazioni sul giornale: Materiali e interfacce applicati a ACS , Piccolo
Fornito da Oak Ridge National Laboratory
