В 2012 году коллектив ученых, изучавших способы защиты материалов от обрастания микробными пленками, сообщил об открытии неожиданного эффекта: бактерии, налипающие в водной среде на крылья цикад, лопаются и гибнут. Выяснилось, что этот эффект определяется не биологическими или химическими свойствами поверхности крыла, а его специфическим рельефом: ковром из микроскопических шипиков.

В феврале текущего года та же группа ученых выдвинула гипотезу, объясняющую, как работает смертоносная микроскульптура.

Современные нанотехнологии могут её легко воспроизвести, поэтому уже в ближайшем будущем этот принцип может привести к созданию нового класса искусственных бактерицидных материалов.

Рис. 1. A. Певчая цикада Psaltoda claripennis (фото с сайта www.pbase.com). В. Поверхность крыла цикады в сканирующем электронном микроскопе; длина масштабной линейки — 2 мкм (фото из обсуждаемой работы Ivanova et al., 2012). C. Бактерии Pseudomonas aeruginosa в сканирующем электронном микроскопе (фото с сайта commons.wikimedia.org). D. Бактерии этого вида, погибшие на поверхности крыла цикады, сфотографированные в сканирующем электронном микроскопе (фото из обсуждаемой работы Ivanova et al., 2012).

Крылья певчей цикады Psaltoda claripennis выглядят прозрачными, как стекло (рис. 1А), но при большом увеличении видно, что их поверхность плотно усажена шипиками высотой около 200 нм и диаметром основания 100 нм (рис. 1B).

Группа ученых из нескольких институтов в Австралии и Испании заинтересовалась, может ли такой нанорельеф предотвращать налипание бактерий в водной среде (защита поверхностей от обрастания микробами является актуальной задачей в технике и медицине). Крыло погружали в раствор, содержащий Pseudomonas aeruginosa — вездесущую палочковидную бактерию, способную возбуждать некоторые болезни человека (рис. 1C). Несмотря на неровную поверхность, бактерии налипали на крылья в больших количествах, однако, как правило, уже в течение 5 минут после контакта гибли. Этот процесс можно было наблюдать с помощью лазерного конфокального микроскопа в присутствии флуоресцентных красителей, которые по-разному связываются живыми, умирающими и мертвыми клетками, заставляя их светиться разными цветами.

Когда крылья высушили и рассмотрели в сканирующем электронном микроскопе, оказалось, что

они облеплены пустыми бактериальными оболочками, вдавленными в ковер из шипиков (рис. 1D). Так как исследование в сканирующем микроскопе проводится в вакууме и требует предварительного высушивания образца, можно было заподозрить, что бактерии приобретают такой вид при подготовке к микроскопированию. Однако исследователям удалось зарегистрировать разрушение бактерии при контакте с крылом и ее вдавливание в рельеф непосредственно в водной среде с помощью атомно-силового микроскопа (подробности см. на рис. 2). Примечательно, что это происходило и в том случае, когда перед экспериментом на крылья с помощью магнетрона напылялась тончайшая (10 нм) пленка золота. Так как скульптура позолоченных крыльев практически не отличалась от естественной, а их химические свойства радикально менялись, этот эксперимент доказал, что именно скульптура поверхности губит бактерий.

Рис. 2. Разрушение бактериальной клетки на шипиках крыла цикады, прослеженное непосредственно в водной среде (не показана) с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). Регистрировалось положение зонда в виде тонкого упругого стержня с наноразмерным острием на конце, находящимся в контакте с бактерией. График показывает, что после начального периода плавного опускания, когда бактерия постепенно вдавливалась в ковер из шипиков, зонд резко провалился на 200 нм, что соответствует высоте шипиков, т. е. бактерия лопнула. Рисунки из обсуждаемой статьи Ivanova et al., 201.

С XIX века бактерии разделяются на две группы — грамположительные и грамотрицательные; первая группа окрашивается по методу Грама, а вторая, соответственно, не окрашивается, что отражает различия в строении и составе клеточной оболочки бактерий этих групп. В своей следующей работе авторы сравнили действие крыльев Psaltoda claripennis на 4 вида грамотрицательных и 3 вида грамположительных бактерий. Оказалось, что

бактерицидный эффект наблюдается только по отношению к грамотрицательным и не зависит от формы бактериальных клеток (палочки или кокки). Так как оболочки большинства грамположительных бактерий являются более прочными, авторы заключили, что феномен основан на взаимодействии поверхности крыла с оболочкой бактерии.

В своей последней статье авторы предложили гипотетическое объяснение открытого ими эффекта и подкрепили его расчетами. Так как шипики значительно меньше бактерии, предложенная модель (рис. 3) игнорирует форму последней и описывает взаимодействие ковра из шипиков с плоской поверхностью бактерии. С другой стороны, так как толщина бактериальной оболочки  — около 10 нм — невелика по сравнению с высотой шипиков, эту оболочку можно условно считать эластичной мембраной. Предполагается, что после первоначального соприкосновения бактерии с вершинами шипиков силы адгезии (склеивания) стремятся увеличить площадь контакта. Шипики постепенно втягиваются внутрь бактерии, ее оболочка деформируется, и участки оболочки в промежутках между шипиками растягиваются до тех пор, пока там не происходит разрыв.

Расчеты показали, что для того, чтобы в данной модели шипики просто прокололи оболочку (как еж — воздушный шарик), их вершины должны быть гораздо острее, с радиусом закругления около 1 нм.

Рис. 3. Гипотеза, объясняющая, как происходит деформация и разрушение бактериальной оболочки на крыле цикады, покрытом микрошипиками с закругленными вершинами (водная среда не показана). Зеленым цветом показаны участки бактериальной оболочки, налипшие на шипики, а оранжевым — участки в промежутках между шипиками. Рост областей контакта приводит к разрыву оболочки между шипиками (нижний рисунок). Рисунок из обсуждаемой статьи Pogodin et al., 2013.

Поведение этой системы определяется силой адгезионного взаимодействия, геометрией шипиков, а также прочностью и гибкостью бактериальной стенки. (Отметим, что модель игнорирует взаимодействие обеих поверхностей с окружающей их жидкостью, что может быть серьезным недостатком.) Гибкость стенки зависит от внутриклеточного давления, то есть тургора: чем он выше, тем сильнее оболочка сопротивляется деформации. Чтобы проверить эту идею, авторы облучили микроволнами три вида грамположительных бактерий — в норме резистентных к смертоносной скульптуре. В результате такой обработки оболочки бактерий на некоторое время становятся проницаемыми, что приводит к частичной потере тургора. Действительно, облученные бактерии теряли свою резистентность и погибали на ковре из шипиков так же, как и грамотрицательные формы.

Если новый эффект будет подтвержден независимыми группами исследователей, то искусственные поверхности с бактерицидной микроскульптурой несомненно найдут разнообразное применение, несмотря на то, что исходную задачу исследователей — защитить поверхность от обрастания микробной биопленкой — они как раз не решают. Наоборот, авторы наблюдали, что поверхность крыла цикады слой за слоем покрывалась пустыми бактериальными оболочками.

В заключение стоит вспомнить о самих певчих цикадах. Скорее всего, описанные бактерицидные свойства поверхности крыльев Psaltoda claripennis не являются защитной биологической адаптацией этих насекомых.

• Во-первых, проникновение патогенных микробов внутрь насекомого через мембрану крыла (фактически мертвую органическую пленку, не дающую доступа к полости тела и живым тканям) практически невозможно.
• Во-вторых, взрослые певчие цикады — наземные насекомые, содержащие свои крылья в сухости. Недавние исследования (см.: Sun et al., 2012. Influence of Cuticle Nanostructuring on the Wetting Behaviour/States on Cicada Wings) показали, что

как раз скульптура из микроскопических шипиков делает крылья певчих цикад исключительно водоотталкивающими («эффект лотоса»).

Следует предположить, что авторам посчастливилось найти для этой структуры полезное применение за рамками биологического контекста, в котором она возникла и существует в природе.

Источники:

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.

Автор: Роман Ракитов.