Forskere bruger supercomputer til at lære, hvordan cikadevinger dræber bakterier

I løbet af det sidste årti har hold af ingeniører, kemikere og biologer analyseret de fysiske og kemiske egenskaber af cikadavinger i håb om at afsløre hemmeligheden bag deres evne til at dræbe mikrober ved kontakt. Hvis denne funktion af naturen kan kopieres af videnskaben, kan det føre til udvikling af nye produkter med iboende antibakterielle overflader, der er mere effektive end nuværende kemiske behandlinger.

Da forskere ved Stony Brook Universitys afdeling for materialevidenskab og kemiteknik udviklede en simpel teknik til at kopiere cikadevingens nanostruktur, manglede de stadig en vigtig information:Hvordan eliminerer nanopillerne på overfladen faktisk bakterier? Heldigvis vidste de præcis, hvem der kunne hjælpe dem med at finde svaret:Jan-Michael Carrillo, en forsker ved Center for Nanophase Materials Sciences ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory.

Til nanovidenskabsforskere, der søger beregningsmæssige sammenligninger og indsigt til deres eksperimenter, leverer Carrillo en enestående service:storskala, højopløsnings-molekylær dynamik (MD)-simuleringer på Summit-supercomputeren ved Oak Ridge Leadership Computing Facility på ORNL.

"Vi kontaktede straks Jan-Michael og udtrykte vores interesse og motivation for muligheden for en simulering. Selvom vi ved, hvordan en MD-simulering fungerer, er det en kompliceret proces, og vi har bare ikke meget erfaring med at udføre dem," sagde Maya Endoh , forskningsprofessor ved Stony Brook og medforfatter til holdets papir, som blev offentliggjort tidligere på året i ACS Applied Materials &Interfaces .

At få regnetid på Summit er ikke så let som at foretage et telefonopkald, selvfølgelig - nanovidenskabsforskere skal ansøge om at modtage et sådant simuleringsarbejde på CNMS, og deres projekter er genstand for peer review som en del af ansøgningsprocessen. Men det er ikke den eneste service Carrillo faciliterer. Udover at have adgang til CNMS's avancerede udstyr til nanovidenskab, er han også unikt placeret til at hjælpe med at anmode om neutronstråletid ved ORNL's Spallation Neutron Source til fremtidige eksperimenter.

"Vores teknikker til lipid-MD-simuleringer er ikke unikke. Det unikke er, at vi er i stand til at udnytte OLCF's ressourcer, så vi kan scanne mange parametre og lave større systemer," sagde Carrillo. "Det, der også er interessant, er ORNL's SNS - deres teknikker matcher tidsskalaen for MD-simuleringerne. Så vi planlægger at sammenligne nogle af resultaterne fra MD-simuleringer direkte med resultaterne i SNS såvel som eksperimenter her i CNMS."

Replikere naturens mikrobe dræber

Stony Brook's Endoh og Tadanori Koga, en lektor, besluttede at undersøge cikadevinger efter at være blevet inspireret af en forskningsartikel fra 2012 offentliggjort i tidsskriftet Small der detaljerede deres evne til at punktere bakterieceller med dødelige resultater. Som forskere i polymermaterialevidenskab forsøgte Endoh og Koga at kopiere vingernes nanopiller med rettet selvsamling.

Selvsamling er en proces, der bruger blokcopolymerer, der består af to eller flere kemisk adskilte homopolymerer, der er forbundet med en kovalent binding. Materialerne tilbyder en enkel og effektiv vej til at fremstille tætte, højt ordnede periodiske nanostrukturer med nem kontrol over deres geometriske parametre over vilkårligt store områder. For eksempel har nanopillerne på en cikades vinger generelt en højde og en afstand på 150 nanometer, men at variere disse dimensioner gav interessante resultater.

"Cikadevingen har en rigtig flot søjlestruktur, så det var det, vi besluttede at bruge. Men vi ville også optimere strukturen," sagde Koga. "I dette øjeblik ved vi, at cikadevingen kan forhindre bakterieadhæsion, men mekanismen er ikke klar. Så vi ønskede at kontrollere størrelsen og højden af ​​søjlen og afstanden mellem søjlerne. Og så ville vi se hvilken geometrisk parameter er afgørende for at dræbe bakterier Det er hele ideen med dette projekt."

Daniel Salatto, en gæsteforsker ved Brookhaven National Laboratory, fik til opgave at konstruere nanooverfladerne og udføre eksperimenter på dem. For at efterligne en cikades vinge brugte han en polymer, der anvendes i vid udstrækning i emballage, specifikt en polystyren-blok-poly(methylmethacrylat) diblok-copolymer.

"Vores oprindelige tilgang til at gøre søjlerne bakteriedræbende er meget enkel - diblokpolymeren kan teknisk skabe nanostrukturen af ​​sig selv, så længe vi kontrollerer miljøet," sagde Endoh. "Derudover behøver vi ikke have en bestemt slags polymer. Derfor startede vi med polystyren – polystyren findes overalt i vores dagligdag. Og selvom vi bruger en fælles polymer, kan vi have den samme eller lignende egenskab som cikadavingesøjlens bakteriedræbende egenskab viser."

Testresultater eksperimentelt, virtuelt

Salatto lab-testede nanooverfladernes effektivitet mod bakterier ved at inkubere dem i bouillon af Escherichia coli og Listeria monocytogenes. Når prøverne var ekstraheret, blev prøverne undersøgt ved fluorescerende mikroskopi og Grazing-Incidence Small-Angle X-ray scattering ved Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II for at bestemme, hvad der var sket med bakterierne. Ikke alene havde nanooverfladerne dræbt de bakterier, der rørte dem, men de havde heller ikke akkumuleret døde bakterier eller snavs på overfladerne.

"Det er kendt, at nogle gange, når bakterieceller dør, og de absorberer på overflader, vil deres affald blive på overfladen og derfor gøre det til et bedre miljø for deres brødre at komme ind og absorbere oven på dem," sagde Salatto. "Det er her, du ser en masse biomedicinske materialer fejle, fordi der ikke er noget, der adresserer affald, der fungerer godt uden at bruge kemikalier, der mere eller mindre kan være giftige for de omgivende miljøer."

Men hvordan opnåede nanooverfladens søjler denne bakterielle udryddelse? Det er her, Carrillos simuleringer giver nogle ledetråde til mysteriet ved at vise, hvordan og hvor bakteriens cellemembran strakte sig og kollapsede inden for søjlernes lokale struktur.

Til Stony Brook-projektet kørte Carrillo en MD-simulering, der bestod af omkring en million partikler. Modellens størrelse skyldtes de mange længdeskalaer, der blev undersøgt, størrelsen af ​​lipidmolekylet, og hvordan det arrangeres omkring nanooverfladens søjler, dimensionerne af søjlerne og længdeskalaerne af membranens udsving.

"Simulationens resultater viste, at når der er stærk interaktion mellem bakterien og nanooverfladesubstratet, absorberer lipidhovederne kraftigt de hydrofile søjleoverflader og tilpasser formen af ​​membranen til strukturen eller krumningen af ​​søjlerne," sagde Carrillo. "En stærkere attraktiv interaktion tilskynder yderligere til yderligere membranvedhæftning til søjleoverfladerne. Simuleringerne tyder på, at membranbrud opstår, når søjlerne genererer tilstrækkelig spænding i lipid-dobbeltlaget fastspændt ved kanterne af søjler."

Denne opdagelse kom som en overraskelse for Stony Brook-teamet, som havde forventet, at en tæt efterligning af naturens originale design ville give de bedste resultater. Men deres bedst ydende prøver havde ikke samme struktur eller højde som cikadevingens nanopiller.

"Vi troede, at højden ville være vigtig for nanostrukturen, fordi vi oprindeligt forventede, at søjlernes højde fungerede som en nål til at punktere bakteriens membran. Men det er ikke, som vi troede. Selvom nanopillernes højde er kort, bakterier døde stadig automatisk," sagde Endoh. "Også uventet så vi ikke nogen absorption på overfladen, så det er selvrensende. Det mentes at skyldes, at insektet flyttede sine vinger for at ryste affaldet af. Men med vores metodik og strukturer beviser vi, at de slår helt naturligt ihjel og renser af sig selv."

Holdet vil fortsætte med at bruge simuleringer til at udvikle et mere komplet billede af de mekanismer, der er i spil, især den selvrensende funktionalitet, før de anvender nanooverfladen på biomedicinske enheder.

Hvad angår Carrillo, vil han fortsætte sine egne undersøgelser af amfifile lipidlignende dobbeltlagssystemer, mens han forbliver klar til at hjælpe andre nanovidenskabelige forskere, som måske har brug for hjælp fra CNMS, OLCF eller SNS.

Flere oplysninger: Daniel Salatto et al., Strukturbaseret design af dobbelte bakteriedræbende og bakteriefrigivende nanooverflader, ACS-anvendte materialer og grænseflader (2023). DOI:10.1021/acsami.2c18121

Journaloplysninger: ACS-anvendte materialer og grænseflader , Lille

Leveret af Oak Ridge National Laboratory