A cicadák szárnya baktériumölő mikroszkoptúrával van lefedve • Roman Rakitov • Tudományos hírek az "elemekről" • Entomológia, biofizika, bionanotechnológia

A cicák szárnya baktériumölő mikroszkoptal borított

Ábra. 1. A. Éneklő cicada Psaltoda claripennis (fotó: www.pbase.com). V. A cicada szárnyának felülete egy pásztázó elektronmikroszkópban; a léptékrúd 2 μm hosszúságú (Ivanova és munkatársai, 2012) által tárgyalt kép. C. baktériumok Pseudomonas aeruginosa egy pásztázó elektronmikroszkópban (fotó: commons.wikimedia.org). D. Ennek a fajnak a baktériumait a csikós szárny felszínén ölték le, pásztázó elektronmikroszkóppal fényképezték (a megvitatott munka képe Ivanova és munkatársai, 2012)

2012-ben egy olyan kutatócsoport, aki megvizsgálta, hogyan védi az anyagokat a mikrobiális filmekkel való szennyeződésekkel szemben, egy váratlan hatás felfedezéséről számol be: olyan baktériumok, amelyek a vizes közegben a cicák szárnyához tapadnak és meghalnak. Kiderült, hogy ezt a hatást nem a szárnyfelület biológiai vagy kémiai tulajdonságai határozzák meg, hanem sajátos megkönnyebbülésével: egy mikroszkopikus tüskék szőnyegével. Idén februárban ugyanaz a tudóscsoport olyan hipotézist állított fel, amely elmagyarázza, hogyan működik a halálos mikroszkóp. A modern nanotechnológia könnyen reprodukálhatja, így a közeljövőben ez az elv a mesterséges baktericid anyagok új osztályának létrehozásához vezethet.

Éneklő Cicada Wings Psaltoda claripennis átlátszónak tűnhet, mint az üveg (fig.Ábra), de nagy nagyításnál látható, hogy felületük szorosan tüskékkel van ellátva kb. 200 nm magassággal és 100 nm-es alapátmérővel (1B. Ábra). Egy ausztráliai és spanyol intézetekből álló tudósok egy csoportja azon tűnődött, vajon egy ilyen nanorelkerület képes-e megakadályozni a baktériumok bejutását a vízi környezetbe (a mikrobás lerakódás elleni védelem sürgős feladat a mérnöki és gyógyszerészeti feladatokban). A szárnyat egy oldatba merítették Pseudomonas aeruginosa – az egészséges pórus alakú baktérium, amely képes bizonyos emberi betegségek megindítására (1C. ábra). Az egyenetlen felület ellenére a baktériumok nagy mennyiségben tapadtak a szárnyakra, de általában 5 perccel az érintkezés után haltak meg. Ez a folyamat lézer konfokális mikroszkóppal megfigyelhető fluoreszkáló festékek jelenlétében, amelyek különbözőképpen kötődnek az élő, haldokló és halott sejtekhez, és különböző színekben ragyognak.

Amikor a szárnyakat megszárították és pásztázó elektronmikroszkópban vizsgálták, kiderült, hogy üres bakteriális héjakkal vannak bevonva, amelyeket a gerincszőnyegbe nyomtak (1D. Ábra). Mivel a vizsgálatot egy pásztázó mikroszkóppal végezzük vákuumban és megkövetelia minta előszáradása után feltételezhető volt, hogy a baktériumok mikroszkópiára való felkészülést mutatnak. Ugyanakkor a kutatók sikeresen regisztrálták a baktérium pusztulását a szárnyakkal érintkezve, és belépést tettek a megkönnyebbülésbe közvetlenül a vízi környezetben atomi erő mikroszkóppal (lásd részletesen a 2. ábrán). Érdemes megjegyezni, hogy ez történt abban az esetben is, amikor a kísérlet előtt egy vékony aranyfestéket (10 nm) permeteztünk a szárnyra egy magnetron segítségével. Mivel az aranyozott szárnyas szobrok gyakorlatilag nem különböztek a természettől, és kémiai tulajdonságaik radikálisan megváltoztak, ez a kísérlet bizonyította, hogy a baktériumokat elpusztító felszíni szobor.

Ábra. 2. Baktériumsejt elpusztítása egy cicada szárny tüskéin, közvetlenül egy vizes közegben (nem ábrázolt) követve, atomi erőmikroszkóppal (AFM). A szonda helyzetét vékony elasztikus rúd formájában vettük fel, amelynek végén a baktériummal érintkező nano méretű csúcs volt. A grafikon azt mutatja, hogy a sima leeresztés kezdeti időszaka után, amikor a baktériumot fokozatosan a gerincek szőnyegébe préselték, a szonda élesen 200 nm-rel csökkent, ami megfelel a tüskék magasságának, vagyis a baktérium felszakadásának.A tárgyalt cikk adatai Ivanova és mások, 2012

A XIX. Század óta a baktériumok két csoportra oszthatók: gram-pozitív és gram-negatív; az első csoportot Gram-módszerrel festjük, a második pedig nem festődik, ami tükrözi a baktériumok sejtfalának szerkezetét és összetételét ezen csoportokban. A következő munkában a szerzők összehasonlították a szárnyak működését Psaltoda claripennis 4 Gram-negatív és 3 Gram-pozitív baktériumfajta esetében. Kiderült, hogy a baktericid hatás csak a gram-negatívhoz viszonyítva figyelhető meg, és nem függ a bakteriális sejtek formájától (botok vagy cocci). Mivel a legtöbb gram-pozitív baktérium héja tartósabb, a szerzők arra a következtetésre jutottak, hogy a jelenség a szárny felszíne és a baktériumok héja közötti kölcsönhatáson alapul.

Az utolsó cikkükben a szerzõk hipotetikus magyarázatot javasoltál az általuk felfedezett hatásról, és számításokkal alátámasztották. Mivel a gerincek sokkal kisebbek a baktériumoknál, a javasolt modell (3. Ábra) figyelmen kívül hagyja az utóbbi alakját, és leírja a gerincszőnyeg kölcsönhatását a baktérium sík felületével. Másrészt, mivel a bakteriális héj vastagsága – kb. 10 nm – kicsi a gerincmagassághoz képest – ez a héj elasztikus membránnak tekinthető.Feltételezzük, hogy a baktériumnak a tüskék csúcsával való kezdeti érintkezését követően a tapadási erők (ragasztás) általában növelik az érintkezési területet. A tüskéket fokozatosan vonják be a baktériumokba, héjja deformálódik, és a héj részeit a tüskék közötti intervallumokban megnyújtják, amíg meg nem szakad. A számítások azt mutatták, hogy ebben a modellben a tüskék egyszerűen átszúrják a héjat (mint például a sündisznó ballon), a tetejüknek sokkal élesebbnek kell lenniük, körülbelül 1 nm sugarúak.

Ábra. 3. Olyan hipotézis, amely megmagyarázza, hogyan alakul a bakteriális héj deformációja és megsemmisülése egy cicada szárnyú, kerekített tetejű mikrocsapágyakkal (vízi környezetben nem látható). zöld a tüskékhez tapadó bakteriális membrán részeit mutatjuk be, és narancs – a tüskék közötti intervallumokat ábrázolja. Az érintkezési területek növekedése a gerincek közötti héj szakadásához vezet (alsó kép). Ábra a tárgyalt cikkből Pogodin et al., 2013

Ennek a rendszernek a viselkedését a ragasztó kölcsönhatásának ereje, a tüskék geometriája, valamint a bakteriális fal erőssége és rugalmassága határozza meg.(Ne feledje, hogy a modell figyelmen kívül hagyja mindkét felület kölcsönhatását a környező folyadékkal, ami komoly hátrány lehet.) A fal rugalmassága az intracelluláris nyomástól, vagyis a turgortól függ: minél magasabb ez, annál erősebb a héj ellenáll a deformációnak. Az ötlet kipróbálására a szerzõk három típusú gram-pozitív baktériumot sugározták meg mikrohullámokkal – amelyek általában ellenállnak a halálos szobrászatnak. Ennek a kezelésnek köszönhetően a bakteriális membránok bizonyos ideig átjárhatok, ami a turgor részleges elvesztéséhez vezet. Valójában a besugárzott baktériumok elvesztették ellenállóképességüket, és a tüskék szőnyegen, valamint a gram-negatív formákon elhalták őket.

Ha az új hatást független kutatócsoportok erősítik meg, akkor a baktériumölő mikrokultúrájú mesterséges felületek kétségtelenül különböző alkalmazásokat találnak, annak ellenére, hogy a kutatók eredeti feladata – a felület megóvása a mikrobiális biofilmektől való megfertőzéssel – csak nem oldódnak meg. Éppen ellenkezőleg, a szerzők megfigyelték, hogy a cikád szárnyának felszínét, rétegenként rétegenként, üres bakteriális héjakkal fedették.

Összefoglalva, érdemes megemlékezni az éneklő cicákról.Valószínűleg a szárnyak felszínének leírt baktericid tulajdonságai Psaltoda claripennis nem védik ezeket a rovarokat. Először is, a patogén mikrobák bejutása a rovarba a szárnymembránon keresztül (valójában egy halott szerves film, amely nem enged hozzáférést a testüreghez és az élő szövetekhez) szinte lehetetlen. Másodszor, a felnőtt éneklő cicák szárazföldi szárnyukat tartalmazó szárazföldi rovarok. A legújabb kutatások (lásd: Sun et al., 2012. A kutikulák nanoszruktúráinak hatása a Wetting Behavior / States állapotára a Cicada Wings-ban) kimutatták, hogy a mikroszkópos tüskék szobra kivételesen víztaszító ("lótusz effektus"). Feltételezzük, hogy a szerzõknek szerencsénk volt arra, hogy e struktúra számára hasznos alkalmazást találjanak azon biológiai kontextuson túl, amelybõl eredt és létezik a természetben.

forrás:
1) Elena P. Ivanova, Jafar Hasan, Hayden K. Webb, Khanh Truong, Gregory S. Watson, Jolanta A. Watson, Vladimir A. Baulin, Sergey Pogodin, James Y. Wang, Mark J. Tobin, Christian Löbbe, Russell J. Crawford. Természetes baktericid felületek: mechanikai törés Pseudomonas aeruginosa sejteket cicada szárnyakkal kis. 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. Nanopatternált szuperhidrofób cika szelektív baktericid hatása Psaltoda claripennis szárnyas felületek // Alkalmazott mikrobiológia és biotechnológia. 2012. Doi: 10.1007 / s00253-012-4628-5.
3) Sergey Pogodin, Jafar Hasan, Vladimir A. Baulin, Hayden K. Webb, Vi Khanh Truong, Hong Phong Nguyen, Veselin Boshkovikj, Christopher J. Fluke, Gregory S. Watson, Jolanta A. Watson, Russell J. Crawford és Elena P. Ivanova. Baktériumsejtek interakcióinak biofizikai modellje nanopatternált cicada szárnyas felületekkel // Biofizikai folyóirat. , V. 104 (4). P. 835-40. Doi: 10.1016 / j.bpj.2012.12.046.

Roman Rakitov


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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