Учёные используют суперкомпьютер для изучения бактерицидных свойств крыльев цикад
За последнее десятилетие команды инженеров, химиков и биологов анализировали физические и химические свойства крыльев цикад, пытаясь раскрыть секрет их способности убивать микробы при контакте. Если эту функцию природы удастся воспроизвести, это может привести к созданию новых продуктов со встроенными антибактериальными поверхностями, более эффективными, чем современные химические обработки.
Исследователи из Университета Стоуни-Брук разработали простую технику дублирования наноструктуры крыла цикады, но им не хватало ключевой информации: как именно наностолбики на его поверхности уничтожают бактерии? Для ответа они обратились к Яну-Майклу Каррильо из Центра нанофазных материаловедения в Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США.
Каррильо предоставляет уникальную услугу: крупномасштабное, высокодетальное молекулярно-динамическое (MD) моделирование на суперкомпьютере Summit в ORNL.
"Мы сразу связались с Яном-Майклом... Хотя мы знаем, как работает MD-моделирование, это сложный процесс, и у нас просто нет большого опыта в этом", — сказала Мая Эндо, соавтор статьи, опубликованной в ACS Applied Materials & Interfaces.
Получить время для вычислений на Summit непросто — проекты проходят рецензирование. Каррильо также помогает получить время на пучке нейтронов в источнике рассеяния нейтронов (SNS) ORNL для будущих экспериментов.
"Наши методы для MD-моделирования липидов не уникальны. Уникально то, что мы можем использовать ресурсы OLCF... Интересно и то, что методы SNS соответствуют временному масштабу MD-моделирования. Поэтому мы планируем сравнить некоторые результаты", — отметил Каррильо.
Воспроизведение природного убийцы микробов
Эндо и Таданори Кога из Стоуни-Брук начали исследовать крылья цикад после вдохновения статьёй 2012 года в журнале Small, описывающей их способность прокалывать бактериальные клетки. Как исследователи в области полимерных материалов, они стремились воспроизвести наностолбики крыльев с помощью направленной самосборки.
Самосборка использует блок-сополимеры, состоящие из двух или более химически различных гомополимеров, соединённых ковалентной связью. Это позволяет легко создавать плотные, упорядоченные наноструктуры с контролем геометрических параметров. Например, наностолбики на крыле цикады обычно имеют высоту и расстояние около 150 нанометров, но изменение этих размеров дало интересные результаты.
"Мы хотели контролировать размер, высоту столбика и расстояние между ними. И затем мы хотели увидеть, какой геометрический параметр имеет решающее значение для уничтожения бактерий", — сказал Кога.
Даниэль Салатто из Брукхейвенской национальной лаборатории создавал наноповерхности и проводил эксперименты на них. Чтобы имитировать крыло цикады, он использовал широко распространённый полимер, в частности диблок-сополимер полистирол-блок-поли(метилметакрилат).
"Наш подход очень прост... Нам не нужен особый полимер. Поэтому мы начали с полистирола... И даже используя обычный полимер, мы можем получить то же или похожее свойство", — пояснила Эндо.
Экспериментальные и виртуальные результаты
Салатто тестировал эффективность наноповерхностей против Escherichia coli и Listeria monocytogenes. Образцы исследовали с помощью флуоресцентной микроскопии и GISAXS в Национальном источнике синхротронного излучения II. Наноповерхности не только убивали бактерии при контакте, но и не накапливали мёртвые бактерии или остатки на поверхности.
"Известно, что иногда, когда бактериальные клетки умирают и адсорбируются на поверхности, их остатки остаются... Именно здесь терпят неудачу многие биомедицинские материалы", — сказал Салатто.
Но как столбики наноповерхности достигают этого уничтожения? MD-моделирование Каррильо дало ключи к разгадке, показав, как и где клеточная мембрана бактерии растягивалась и разрушалась в локальной структуре столбиков.
Для проекта Каррильо запустил MD-моделирование, состоящее примерно из миллиона частиц. Масштаб модели был обусловлен несколькими исследуемыми пространственными масштабами.
"Результаты моделирования показали, что при сильном взаимодействии между бактерией и наноповерхностью липидные головки сильно адсорбируются на гидрофильные поверхности столбиков... Разрыв мембраны происходит, когда столбики создают достаточное натяжение в липидном бислое, зажатом по краям столбиков", — объяснил Каррильо.
Это открытие стало неожиданностью для команды Стоуни-Брук, которая ожидала, что наиболее точное копирование природного дизайна даст лучшие результаты. Но их лучшие образцы не имели той же структуры или высоты, что и наностолбики крыла цикады.
"Мы думали, что высота важна... Но это не так, как мы думали. Даже при небольшой высоте наностолбиков бактерии всё равно погибали... Кроме того, неожиданно мы не увидели адсорбции на поверхности, то есть она самоочищается", — сказала Эндо.
Команда продолжит использовать моделирование для получения более полной картины механизмов, особенно функции самоочистки, перед применением наноповерхности в биомедицинских устройствах. Каррильо продолжит свои исследования амфифильных липидоподобных бислойных систем, готовый помочь другим исследователям в нанонауке.