Воздействие наноструктур поверхностей крылышек на бактерии оказалось сложнее, чем ранее считали ученые, и может помочь изготовить биомедицинские изделия, одновременно работающие против инфекции и на приживаемость.

Команда из Университета Бристоля выяснила, как особые наноструктуры, покрывающие крылышки, например цикад или стрекоз, способны вредить попадающим на них бактериям — и как это можно использовать в специальных медицинских имплантах. Статью о своем открытии авторы опубликовали в издании Nature Communications.

Чтобы детально рассмотреть, как работают эти структуры, исследователи воспользовались рядом специальных средств визуализации, а также функциональным и протеомным анализами. Ученые надеются, что новые данные помогут разработать более эффективные антимикробные поверхности для потенциального биомедицинского применения в разных областях: например, для медицинских имплантов и устройств.

При детальном рассмотрении поверхность крылышка выглядит не плоской, а похожей на мегаполис, плотно застроенный высотными зданиями. Крошечные столбчатые структуры высотой около 200 нанометров (миллиардных частей метра) называются нанопилларами. Эти «небоскребы» микроскопического размера и есть те самые наноструктуры, которые помогают насекомым не допускать вольготной бактериальной жизни на своих крыльях.

Кишечная палочка (е. coli) попавшая на эти наноиглы /© Professor Bo Su, University of Bristol

Автор работы, профессор Бо Су, отмечает: ранее предполагалось, что антибактериальные свойства этих структур основаны исключительно на физическом прокалывании стенки бактериальных клеток, приводя к лизису. Однако данные, озвученные в статье, показывают, что на самом деле эти свойства многокомпонентны и зависят от различных факторов, таких как нанотопография, и вида микроорганизмов.

«В этой работе мы стремились лучше понять опосредованные наночастицами бактерицидные механизмы. <…> Наряду с деформацией и последующим прорывом бактериальных клеточных оболочек нанопилларами мы обнаружили, что ключом к антибактериальным свойствам этих нанопилларов также могут быть кумулятивные эффекты физического импеданса и индукции окислительного стресса, особенно для грамотрицательных бактерий», — поясняет профессор Су.

Новые данные и углубленное понимание помогут лучше приспособить механизмы, отлаженные насекомыми за миллионы лет эволюции, для использования в медицине. Расширенное понимание взаимодействий наночастиц с бактериями может лечь в основу разработки улучшенных биоматериалов и различных антибактериальных нанопокрытий.

В качестве дальнейшего шага по изучению в этом направлении авторы предполагают начать изучение реакции стволовых клеток человека на такие нанопиллары. Это послужит разработке клеточно-инструктивных имплантов. В перспективе такие технологичные изделия смогут одновременно предотвращать бактериальную инфекцию и способствовать интеграции тканей.