Крила цикад покриті бактерицидною мікроскульптурою

Ріс. 1. Співоча цикада Psaltoda claripennis (фото з сайту www.pbase.com). В. Поверхня крила цикади в скануючому електронному мікроскопі; довжина масштабної лінійки — 2 мкм (фото з обговорюваної роботи Ivanova et al., 2012). C. Бактерії Pseudomonas aeruginosa в скануючому електронному мікроскопі (фото з сайту commons.wikimedia.org). D. Бактерії цього виду, загиблі на поверхні крила цикади, сфотографовані в скануючому електронному мікроскопі (фото з обговорюваної роботи Ivanova et al., 2012)

У 2012 році колектив вчених, які вивчали способи захисту матеріалів від обростання мікробними плівками, повідомив про відкриття несподіваного ефекту: бактерії, що налипають у водному середовищі на крила цикад, лопаються і гинуть. З’ясувалося, що цей ефект визначається не біологічними або хімічними властивостями поверхні крила, а його специфічним рельєфом: килимом з мікроскопічних шипиків. У лютому поточного року та ж група вчених висунула гіпотезу, що пояснює, як працює смертоносна мікроскульптура. Сучасні нанотехнології можуть її легко відтворити, тому вже в найближчому майбутньому цей принцип може призвести до створення нового класу штучних бактерицидних матеріалів.

Крила співочої цикади Psaltoda claripennis виглядають прозорими, як скло (рис. 1А), але при великому збільшенні видно, що їх поверхня щільно посаджена шипиками висотою близько 200 нм і діаметром основи 100 нм (рис. 1B). Група вчених з декількох інститутів в Австралії та Іспанії зацікавилася, чи може такий нанорельєф запобігати налипанню бактерій у водному середовищі (захист поверхонь від обростання мікробами є актуальним завданням у техніці та медицині). Крило занурювали в розчин, що містить Pseudomonas aeruginosa — всюдисущу паличкоглядну бактерію, здатну збуджувати деякі хвороби людини (рис. 1C). Незважаючи на нерівну поверхню, бактерії налипали на крила у великих кількостях, проте, як правило, вже протягом 5 хвилин після контакту гинули. Цей процес можна було спостерігати за допомогою лазерного конфокального мікроскопа в присутності флуоресцентних барвників, які по-різному зв’язуються живими, вмираючими і мертвими клітинами, змушуючи їх світитися різними кольорами.

Коли крила висушили і розглянули в сканувальному електронному мікроскопі, виявилося, що вони обліплені порожніми бактеріальними оболонками, втиснутими в килим з шипиків (рис. 1D). Оскільки дослідження в скануючому мікроскопі проводиться у вакуумі і вимагає попереднього висушування зразка, можна було запідозрити, що бактерії набувають такого вигляду при підготовці до мікроскопування. Однак дослідникам вдалося зареєструвати руйнування бактерії при контакті з крилом і її втискування в рельєф безпосередньо у водному середовищі за допомогою атомно-силового мікроскопа (подробиці див. на рис. 2). Примітно, що це відбувалося і в тому випадку, коли перед експериментом на крила за допомогою магнетрона напилювалася найтонша (10 нм) плівка золота. Оскільки скульптура позолочених крил практично не відрізнялася від природної, а їхні хімічні властивості радикально змінювалися, цей експеримент довів, що саме скульптура поверхні губить бактерій.

Рис, 2. Руйнування бактеріальної клітини на шипиках крила цикади, простежене безпосередньо у водному середовищі (не показана) за допомогою атомно-силового мікроскопа (АСМ). Реєструвалося положення зонда у вигляді тонкого упругого стрижня з нанорозмірним вістрям на кінці, що знаходиться в контакті з бактерією. Графік показує, що після початкового періоду плавного опускання, коли бактерія поступово втиснулася в килим з шипиків, зонд різко провалився на 200 нм, що відповідає висоті шипиків, тобто бактерія лопнула. Малюнки з обговорюваної статті Ivanova et al., 2012

З XIX століття бактерії розділяються на дві групи — грамполоджувальні і грамотрицьові; перша група пофарбовується за методом Грама, а друга, відповідно, не пофарбовується, що відображає відмінності в будові і складі клітинної оболонки бактерій цих груп. У своїй наступній роботі автори порівняли дію крил Psaltoda claripennis на 4 види грамотрицьких і 3 види грамположних бактерій. Виявилося, що бактерицидний ефект спостерігається тільки по відношенню до грамотрицьких і не залежить від форми бактеріальних клітин (палички або кокки). Оскільки оболонки більшості грамположних бактерій є більш міцними, автори уклали, що феномен заснований на взаємодії поверхні крила з оболонкою бактерії.

У своїй останній статті автори запропонували гіпотетичне пояснення відкритого ними ефекту і підкріпили його розрахунками. Оскільки шипіки значно менше бактерії, запропонована модель (рис. 3) ігнорує форму останньої і описує взаємодію килима з шипіків з плоскою поверхнею бактерії. З іншого боку, оскільки товщина бактеріальної оболонки — близько 10 нм — невелика порівняно з висотою шипиків, цю оболонку можна умовно вважати еластичною мембраною. Передбачається, що після початкового зіткнення бактерії з вершинами шипиків сили адгезії (склеювання) прагнуть збільшити площу контакту. Шипіки поступово втягуються всередину бактерії, її оболонка деформується, і ділянки оболонки в проміжках між шипиками розтягуються до тих пір, поки там не відбувається розрив. Розрахунки показали, що для того, щоб в даній моделі шипики просто прокололи оболонку (як їжак — повітряна кулька), їх вершини повинні бути набагато гострішими, з радіусом заокруглення близько 1 нм.

Рис, 3. Гіпотеза, що пояснює, як відбувається деформація і руйнування бактеріальної оболонки на крилі цикади, вкритому мікрошипіками із заокругленими вершинами (водне середовище не показано). Зеленим кольором показані ділянки бактеріальної оболонки, що налипли на шипики, а помаранчевим — ділянки в проміжках між шипиками. Зростання областей контакту призводить до розриву оболонки між шипіками (нижній малюнок). Малюнок з обговорюваної статті Pogodin et al., 2013

Поведінка цієї системи визначається силою адгезійної взаємодії, геометрією шипіків, а також міцністю і гнучкістю бактеріальної стінки. (Зазначимо, що модель ігнорує взаємодію обох поверхонь з навколишньою рідиною, що може бути серйозним недоліком.) Гнучкість стінки залежить від внутрішньоклітинного тиску, тобто тургора: чим він вищий, тим сильніша оболонка чинить опір деформації. Щоб перевірити цю ідею, автори опромінювали мікрохвилями три види грамположних бактерій — в нормі резистентних до смертоносної скульптури. В результаті такої обробки оболонки бактерій на деякий час стають проникливими, що призводить до часткової втрати тургору. Дійсно, опромінені бактерії втрачали свою резистентність і гинули на килимі з шипиків так само, як і грамотрицьові форми.

Якщо новий ефект буде підтверджений незалежними групами дослідників, то штучні поверхні з бактерицидною мікроскульптурою безсумнівно знайдуть різноманітне застосування, незважаючи на те, що вихідне завдання дослідників — захистити поверхню від обростання мікробною біоплівкою — вони якраз не вирішують. Навпаки, автори спостерігали, що поверхня крила цикади шар за шаром покривалася порожніми бактеріальними оболонками.

Насамкінець варто згадати про самі співочі цикади. Швидше за все, описані бактерицидні властивості поверхні крил Psaltoda claripennis не є захисною біологічною адаптацією цих комах. По-перше, проникнення патогенних мікробів всередину комахи через мембрану крила (фактично мертву органічну плівку, що не дає доступу до порожнини тіла і живих тканин) практично неможливо. По-друге, дорослі співаки цикади — наземні комахи, що містять свої крила в сухості. Недавні дослідження (див.: Sun et al., 2012. Influence of Cuticle Nanostructuring on the Wetting Behaviour/States on Cicada Wings) показали, що якраз скульптура з мікроскопічних шипиків робить крила співочих цикад виключно водовідштовхувальними («ефект лотоса»). Слід припустити, що авторам пощастило знайти для цієї структури корисне застосування за рамками біологічного контексту, в якому вона виникла і існує в природі.

Джерела:

1) Elena P. Ivanova, Jafar Hasan, Hayden K. Webb, Vi Khanh Truong, Gregory S. Watson, Jolanta A. Watson, Vladimir A. Baulin, Sergey Pogodin, James Y. Wang, Mark J. Tobin, Christian Löbbe, Russell J. Crawford. Natural bactericidal surfaces: mechanical rupture of Pseudomonas aeruginosa cells by cicada wings // Small. 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. Selective bactericidal activity of nanopatterned superhydrophobic cicada Psaltoda claripennis wing surfaces // Applied microbiology and biotechnology. 2012. Doi:10.1007/s00253-012-4628-5.

3) Sergey Pogodin, Jafar Hasan, Vladimir A. Baulin, Hayden K. Webb, Vi Khanh Truong, The Hong Phong Nguyen, Veselin Boshkovikj, Christopher J. Fluke, Gregory S. Watson, Jolanta A. Watson, Russell J. Crawford and Elena P. Ivanova. Biophysical model of bacterial cell interactions with nanopatterned cicada wing surfaces // Biophysical journal. 2013. V. 104(4). P. 835–40. Doi:10.1016/j.bpj.2012.12.046.

Роман Ракитов