Cicadų sparnai yra padengti baktericidinėmis mikroskulpijomis • Romanas Rakitovas • Mokslo naujienos "Elementai" • Entomologija, biofizika, biologinė technologija

Cikadų sparnai yra padengti baktericidine mikroskulptura

Pav. 1. A. Dainuojanti cicada "Psaltoda claripennis" (nuotrauka iš www.pbase.com). V. Cicada sparno paviršius skenuojančiame elektroniniame mikroskope; masto juosta yra 2 μm ilgio (nuotrauka iš aptariamo Ivanova ir kt., 2012 m.). C. Bakterijos Pseudomonas aeruginosa skenuojančiame elektroniniame mikroskope (nuotrauka iš commons.wikimedia.org). D. Šios rūšies bakterijos, užmuštos cicado sparno paviršiumi, fotografuojamos skenuojančiame elektroniniame mikroskope (nuotrauka iš aptariamo darbo Ivanova ir kt., 2012)

2012 m. Mokslininkų grupė, ištyrusi, kaip apsaugoti medžiagas nuo užteršimo mikrobinėmis plėvele, pranešė apie netikėto poveikio atskleidimą: bakterijos, kurios laikosi cikadų sparnų vandeninėje terpėje, sprogo ir miršta. Pasirodo, kad šį poveikį lemia ne spyruoklinio paviršiaus biologinės ar cheminės savybės, bet jo specifinis reljefas: mikroskopinių spyglių kilimas. Šių metų vasarį ta pati mokslininkų grupė pateikė hipotezę, paaiškinančią, kaip veikia mirtinas mikroskulptura. Šiuolaikinė nanotechnologija gali lengvai ją dauginti, todėl artimiausiu metu šis principas gali sukurti naują klasę dirbtinių baktericidinių medžiagų.

Dainuojanti Cicado sparnai "Psaltoda claripennis" atrodo skaidrus, kaip stiklas (pav.1A), tačiau esant dideliam padidinimui galima pastebėti, kad jų paviršius yra tvirtai pasisukęs spygliais, kurių aukštis siekia apie 200 nm, o bazinis skersmuo yra 100 nm (1B pav.). Kelių Australijos ir Ispanijos institutų mokslininkų grupė domino, ar tokia nanorelief gali užkirsti kelią bakterijoms klijuoti į vandens aplinką (inžinerijos ir medicinos neatidėliotinas užduotis yra apsaugoti paviršius nuo mikrobų užteršimo). Sparnas buvo panardintas į tirpalą, kuriame yra Pseudomonas aeruginosa – visur esanti lazdelės formos bakterija, galinti sukelti tam tikras ligas (1C pav.). Nepaisant to, kad nelygus paviršius, bakterijos prilipo prie sparnų dideliais kiekiais, tačiau dažniausiai per 5 minutes po kontakto jos mirė. Šis procesas gali būti stebimas, naudojant ląstelės konfokalinį mikroskopą, esant fluorescuojantiems dažikliams, kurie susiejami skirtingai su gyvomis, mirštančiomis ir negyvomis ląstelėmis, todėl jie šviečia skirtingomis spalvomis.

Kai sparnai džiovinami ir tiriami skenuojančiu elektroniniu mikroskopu, pasirodė, kad jie buvo tinkuotos tuščiais bakterijų lukštais, presuotais į stuburo kaklą (1D pav.). Kadangi tyrimas skenavimo mikroskopu atliekamas vakuume ir reikalaujaiš anksto džiovinant mėginį, buvo įmanoma įtarti, kad mikroskopijai paruošiant bakterijas atsiranda tokia išvaizda. Tačiau mokslininkai sugebėjo užregistruoti bakterijos sunaikinimą, susidūrusią su sparnu ir jo įtraukimą į reljefą tiesiai į vandens aplinką naudojant atominį jėgos mikroskopą (žr. Išsamią informaciją 2 pav.). Pažymėtina, kad taip nutiko ir tuo atveju, kai prieš eksperimentą magnetrono pagalba buvo purškiama plona aukso plėvelė (10 nm). Kadangi žiedinių sparnų skulptūra praktiškai nesiskyrė nuo natūralios, o jų cheminės savybės radikaliai pasikeitė, šis eksperimentas parodė, kad paviršinė skulptūra sunaikina bakterijas.

Pav. 2 Bakterijos ląstelės sunaikinimas spenelių cicada sparno, atsekti tiesiai vandeninėje terpėje (nerodoma), naudojant atominį jėgos mikroskopą (AFM). Zondo padėtis užfiksuota plonu elastingu lazdele su nano dydžio antgaliu, galinčiu kontaktuoti su bakterija. Grafikas rodo, kad po pradinio sklandaus nuleidimo periodo, kai bakterija palaipsniui buvo įkišta į stuburo kilimą, zondas smarkiai sumažėjo iki 200 nm, o tai atitinka stuburo aukštį, tai yra, bakterijos sprogo.Duomenys iš aptariamo straipsnio Ivanova ir kt., 2012

Nuo XIX a. Bakterijos suskirstytos į dvi grupes: gramteigiamus ir gramneigiamus; pirmoji grupė yra dažoma pagal Gram metodą, o antroji, atitinkamai, nenuosekama, kuri atspindi bakterijų ląstelių sienelių struktūros ir sudėties skirtumus šiose grupėse. Kituose darbuose autoriai lygino sparnų veikimą "Psaltoda claripennis" 4 tipo gramneigiamų ir 3 rūšių gramteigiamos bakterijos. Paaiškėjo, kad baktericidinis poveikis pastebimas tik gramatiškai neigiamai ir nepriklauso nuo bakterijų ląstelių (lazdelių ar kokių) formos. Kadangi daugumos gramneigiamų bakterijų apvalkalai yra patvaresni, autoriai padarė išvadą, kad reiškinys remiasi sparno paviršiaus sąveika su bakterijų membrana.

Savo paskutiniame straipsnyje autoriai pasiūlė hipotetinį paaiškinimą apie jų aptiktą poveikį ir jį palaikė skaičiavimais. Kadangi spintelės yra daug mažesnės už bakterijas, siūlomas modelis (3 pav.) Ignoruoja pastarosios formą ir apibūdina stuburo kilimo sąveiką su plokščiu bakterijos paviršiumi. Kita vertus, kadangi bakterinio apvalkalo storis – maždaug 10 nm – yra mažas, palyginus su stuburų aukščiu, šis korpusas gali būti laikomas elastine membrana.Daroma prielaida, kad po pradinio bakterijos kontakto su stuburų galais sukibimo jėgos (klijavimas) paprastai padidina kontaktinę plotą. Spygliukai palaipsniui įsiskverbia į bakterijas, jo korpusas deformuojasi, o dalelės apvalkalo tarpsnyje tarp spyglių ištempia tol, kol yra plyšimas. Skaičiavimai parodė, kad šiame modelyje spygliai paprasčiausiai perveria apvalkalą (kaip ežiuką – balioną), jų viršūnės turėtų būti daug ryškesnės, spinduliu maždaug 1 nm.

Pav. 3 Hipotezė, paaiškinanti, kaip vyksta bakterijų apvalkalo deformacija ir sunaikinimas ant cicado sparno, padengto mikrolygiais su apvaliais viršūnes (vandenyje nėra rodomos). Žalia parodytos bakterinės membranos dalys, prilipusios prie stuburų, ir oranžinė – sklypai intervaluose tarp spintelių. Kontaktinių sričių augimas veda prie lūžių plyšimo tarp spinčių (apatinis vaizdas) Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Pogodin ir kt., 2013

Šios sistemos elgesį lemia klijinės sąveikos stipris, stuburo geometrija, taip pat bakterinės sienos stiprumas ir lankstumas.(Atkreipkite dėmesį į tai, kad modelis ignoruoja abiejų paviršių sąveiką su aplinkiniu skysčiu, kuris gali būti rimtas trūkumas.) Sienelės lankstumas priklauso nuo intracellular spaudimo, tai yra, turgoras: kuo didesnis, tuo stipresnis korpusas atsparus deformacijai. Norėdami išbandyti šią idėją, autoriai apšvitino tris gramų teigiamų bakterijų rūšis su mikrobangų krosnelėmis – paprastai atsparios mirtiniam skulptrui. Dėl šio gydymo bakterinės membranos tam tikrą laiką tampa pralaidžios, dėl ko dalinai prarandamas turgoras. Iš tiesų, apšvitintos bakterijos prarado atsparumą ir mirė ant stuburo kilimo, taip pat gramneigiamos formos.

Jei naująjį poveikį patvirtins nepriklausomos tyrimo grupės, tada dirbtiniai paviršiai su baktericidinėmis mikroskulpijomis neabejotinai gali rasti įvairias paskirtis, nepaisant to, kad pradinė mokslininkų užduotis – apsaugoti paviršių nuo užteršimo mikrobiniu biofilmu – jie tiesiog nesprendžia. Priešingai, autoriai pastebėjo, kad cicado sparno, sluoksnio sluoksnis, paviršius buvo padengtas tuščiomis bakterijų apvalkalais.

Apibendrinant, verta prisiminti apie pačių dainavimo cicada.Labiausiai tikėtina, aprašytos baktericidinės sparnų paviršiaus savybės "Psaltoda claripennis" nėra apsauginė biologinė šių vabzdžių adaptacija. Pirma, patogeninių mikrobų įsiskverbimas į vabzdą per sparno membraną (iš tikrųjų mirę organinė plėvelė, neleidžianti patekti į kūno ertmę ir gyvus audinius) yra beveik neįmanoma. Antra, suaugusieji dainuojantys cicados yra sausumos vabzdžiai, kuriuose jų sparnais yra sausoje vietoje. Naujausi tyrimai (žr.. Saulės et al 2012 įtaka odelė nanostruktūravimą ant drėkinanti ELGESYS / s nar ÷ s į cikada sparneliais) parodė, kad tiesiog mikroskopinio spygliais skulptūra daro sparnai cikada labai vandens repelentas ( "Lotus efektas"). Turėtų būti daroma prielaida, kad autoriai pasisekė rasti šios struktūros naudingą taikymą už biologinio konteksto, kuriame jis kilo ir egzistuoja gamtoje.

Šaltiniai:
1) Elena P. Ivanova, Jafar Hasan, Hayden K. Webb, Khanh Truong, Gregory S. Watson, Jolanta A. Watson, Vladimiras A. Baulinas, Sergejus Pogodinas, Jamesas Y. Wangas, Markas J. Tobinas, krikščionis Löbbe, Russell J. Crawford. Natūralūs baktericidiniai paviršiai: mechaninis purškimas Pseudomonas aeruginosa ląstelės pagal cicada sparnus Mažas. V. 8 (16). 2489-94 p. Doi: 10.1002 / smll.201200528.
2) Jafar Hasan, Hayden K. Webb, Vi Khanh Truong, Sergey Pogodin, Vladimiras A. Baulin, Gregory S. Watson, Jolanta A. Watson, Russell J. Crawford, Elena P. Ivanova. Selektyvus baktericidinis aktyvumas, kurio metu susidaro nanofiltrinė superhidrofobinė cicada "Psaltoda claripennis" sparno paviršiai // Taikomoji mikrobiologija ir biotechnologija. 2012. Doi: 10.1007 / s00253-012-4628-5.
3) Sergejus Pogodin, Jafar Hasanas, Vladimiras A. Baulin Hayden K. Webb, VI Kan Truong Hong Phong Nguyenas Veselin Boshkovikj Christopher J. Fluke Gregory S. Watson Jolanta A. Watson Russellas J. Crawford ir Elena P. Ivanova. Biofizinis bakterijų ląstelių sąveikos modelis su nanopatintomis cicados sparno paviršiams // Biofizinis žurnalas. 2013. V. 104 (4). 835-40 p. Doi: 10.1016 / j.bpj.2012.12.046.

Romanas rakitovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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