Under det senaste decenniet har team av ingenjörer, kemister och biologer analyserat de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos cikadvingar, i hopp om att låsa upp hemligheten bakom deras förmåga att döda mikrober vid kontakt. Om denna funktion av naturen kan replikeras av vetenskapen kan det leda till utveckling av nya produkter med i sig antibakteriella ytor som är mer effektiva än nuvarande kemiska behandlingar.
När forskare vid Stony Brook Universitys institution för materialvetenskap och kemiteknik utvecklade en enkel teknik för att duplicera cikadvingens nanostruktur, saknade de fortfarande en viktig del av information:Hur eliminerar nanopelarna på dess yta faktiskt bakterier? Tack och lov visste de exakt vem som kunde hjälpa dem att hitta svaret:Jan-Michael Carrillo, en forskare vid Center for Nanophase Materials Sciences vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory.
För forskare inom nanovetenskap som söker beräkningsjämförelser och insikter för sina experiment, tillhandahåller Carrillo en unik tjänst:storskaliga simuleringar av molekylär dynamik (MD) med hög upplösning på Summit-superdatorn vid Oak Ridge Leadership Computing Facility på ORNL.
"Vi kontaktade omedelbart Jan-Michael och uttryckte vårt intresse och vår motivation för möjligheten till en simulering. Även om vi vet hur en MD-simulering fungerar, är det en komplicerad process, och vi har helt enkelt inte mycket erfarenhet av att göra dem," säger Maya Endoh , en forskningsprofessor vid Stony Brook och medförfattare till lagets artikel, som publicerades tidigare i år i ACS Applied Materials &Interfaces .
Att få beräkningstid på Summit är inte så lätt som att ringa ett telefonsamtal, naturligtvis - nanovetenskapsforskare måste ansöka om att få sådant simuleringsarbete vid CNMS, och deras projekt är föremål för peer review som en del av ansökningsprocessen. Men det är inte den enda tjänsten Carrillo underlättar. Förutom att ha tillgång till CNMS:s toppmoderna utrustning för nanovetenskaplig forskning, är han också unikt placerad för att hjälpa till att begära neutronstråletid vid ORNL:s Spallation Neutron Source för framtida experiment.
"Våra tekniker för lipid-MD-simuleringar är inte unika. Det unika är att vi kan utnyttja OLCF:s resurser så att vi kan skanna många parametrar och göra större system," sa Carrillo. "Det som också är intressant är ORNL:s SNS - deras tekniker matchar tidsskalan för MD-simuleringarna. Så vi planerar att jämföra några av resultaten från MD-simuleringar direkt med resultaten i SNS såväl som experiment här i CNMS."
Stony Brooks Endoh och Tadanori Koga, en docent, bestämde sig för att undersöka cikadvingar efter att ha inspirerats av en forskningsartikel från 2012 som publicerades i tidskriften Small som beskrev deras förmåga att punktera bakterieceller med dödliga resultat. Som forskare inom polymermaterialvetenskap försökte Endoh och Koga replikera vingarnas nanopelare med riktad självmontering.
Självmontering är en process som använder blocksampolymerer som består av två eller flera kemiskt distinkta homopolymerer som är förbundna med en kovalent bindning. Materialen erbjuder en enkel och effektiv väg att tillverka täta, högordnade periodiska nanostrukturer med enkel kontroll av deras geometriska parametrar över godtyckligt stora ytor. Till exempel har nanopelarna på en cikadans vingar i allmänhet en höjd och ett avstånd på 150 nanometer, men att variera dessa dimensioner gav intressanta resultat.
"Cikadvingen har en riktigt fin pelarstruktur, så det var det vi bestämde oss för att använda. Men vi ville också optimera strukturen", sa Koga. "I detta ögonblick vet vi att cikadvingen kan förhindra vidhäftning av bakterier, men mekanismen är inte klar. Så vi ville kontrollera storleken och höjden på pelaren och avståndet mellan pelarna. Och sedan ville vi se vilken geometrisk parameter är avgörande för att döda bakterier. Det är hela idén med det här projektet."
Daniel Salatto, gästforskare vid Brookhaven National Laboratory, fick i uppdrag att konstruera nanoytorna och utföra experiment på dem. För att efterlikna en cikadans vinge använde han en polymer som används flitigt i förpackningar, närmare bestämt en polystyrenblock-poly(metylmetakrylat) disegmentsampolymer.
"Vårt ursprungliga tillvägagångssätt för att göra pelarna bakteriedödande är mycket enkel - diblockpolymeren kan tekniskt skapa nanostrukturen av sig själv så länge vi kontrollerar miljön," sa Endoh. "Dessutom behöver vi inte ha en specifik typ av polymer. Det var därför vi började med polystyren – polystyren finns överallt i vårt dagliga liv. Och även om vi använder en gemensam polymer kan vi ha samma eller liknande egenskap som cikadvingepelarens bakteriedödande egenskap visar."
Testresultat experimentellt, virtuellt
Salatto labbtestade nanoytornas effektivitet mot bakterier genom att inkubera dem i buljonger av Escherichia coli och Listeria monocytogenes. När de extraherats undersöktes proverna med fluorescerande mikroskopi och Grazing-Incidence Small-Angle X-ray Scattering vid Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II för att fastställa vad som hade hänt med bakterierna. Nanoytorna hade inte bara dödat bakterierna som berörde dem, utan de hade inte heller samlat på sig döda bakterier eller skräp på ytorna.
"Det är känt att ibland när bakterieceller dör och de absorberar på ytor, kommer deras skräp att stanna på ytan och därför göra det till en bättre miljö för sina bröder att komma in och absorbera ovanpå dem," sa Salatto. "Det är där du ser att många biomedicinska material misslyckas, för det finns inget som tar itu med skräp som fungerar bra utan att använda kemikalier som mer eller mindre kan vara giftiga för den omgivande miljön."
Men hur uppnådde nanoytans pelare denna bakteriella utrotning? Det är där Carrillos simuleringar ger några ledtrådar till mysteriet genom att visa hur och var bakteriens cellmembran sträckte sig och kollapsade inom pelarnas lokala struktur.
För Stony Brook-projektet körde Carrillo en MD-simulering som bestod av cirka en miljon partiklar. Modellens storlek berodde på de många längdskalorna som undersöktes, storleken på lipidmolekylen och hur den ordnar sig runt nanoytans pelare, pelarnas dimensioner och längdskalorna för membranets fluktuationer.
"Simuleringens resultat visade att när det finns en stark interaktion mellan bakterien och nanoytans substrat absorberar lipidhuvudena kraftigt de hydrofila pelarytorna och anpassar formen på membranet till pelarnas struktur eller krökning," sa Carrillo. "En starkare attraktiv interaktion uppmuntrar ytterligare membranfästning till pelareytorna. Simuleringarna tyder på att membranbrott inträffar när pelarna genererar tillräcklig spänning i lipiddubbelskiktet som är fastklämt vid pelarnas kanter."
Detta fynd kom som en överraskning för Stony Brook-teamet, som hade förväntat sig att en nära efterlikning av naturens ursprungliga design skulle ge de bästa resultaten. Men deras bäst presterande prover hade inte samma struktur eller höjd som cikadvingens nanopelare.
"Vi trodde att höjden skulle vara viktig för nanostrukturen eftersom vi ursprungligen förväntade oss att pelarnas höjd fungerade som en nål för att punktera bakteriens membran. Men det är inte som vi trodde. Även om nanopelarnas höjd är kort, bakterier dog fortfarande automatiskt," sa Endoh. "Också oväntat såg vi ingen absorption på ytan, så det är självrengörande. Detta ansågs bero på att insekten flyttade sina vingar för att skaka av sig skräpet. Men med vår metodik och strukturer bevisar vi att de bara naturligt dödar och städar av sig själva."
Teamet kommer att fortsätta att använda simuleringar för att utveckla en mer komplett bild av mekanismerna i spelet, särskilt den självrengörande funktionen, innan nanoytan appliceras på biomedicinsk utrustning.
När det gäller Carrillo kommer han att fortsätta sina egna studier av amfifila lipidliknande dubbelskiktssystem, samtidigt som han är redo att hjälpa andra nanovetenskapliga forskare som kan behöva hjälp av CNMS, OLCF eller SNS.
Mer information: Daniel Salatto et al, Strukturbaserad design av dubbla bakteriedödande och bakteriefrigörande nanoytor, ACS Applied Materials &Interfaces (2023). DOI:10.1021/acsami.2c18121
Journalinformation: ACS-tillämpade material och gränssnitt , Liten
Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory
