Wetenschappers gebruiken supercomputer om te leren hoe cicadevleugels bacteriën doden

In het afgelopen decennium hebben teams van ingenieurs, scheikundigen en biologen de fysische en chemische eigenschappen van cicadevleugels geanalyseerd, in de hoop het geheim te ontrafelen van hun vermogen om microben bij contact te doden. Als deze functie van de natuur door de wetenschap kan worden nagebootst, kan dit leiden tot de ontwikkeling van nieuwe producten met inherent antibacteriële oppervlakken die effectiever zijn dan de huidige chemische behandelingen.

Toen onderzoekers van de afdeling Materials Science and Chemical Engineering van de Stony Brook University een eenvoudige techniek ontwikkelden om de nanostructuur van de cicadevleugel te dupliceren, misten ze nog steeds een belangrijk stuk informatie: hoe elimineren de nanopilaren op het oppervlak eigenlijk bacteriën? Gelukkig wisten ze precies wie hen kon helpen het antwoord te vinden: Jan-Michael Carrillo, een onderzoeker bij het Center for Nanophase Materials Sciences van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy.

Voor nanowetenschappelijke onderzoekers die op zoek zijn naar computationele vergelijkingen en inzichten voor hun experimenten, biedt Carrillo een unieke service: grootschalige simulaties van moleculaire dynamica (MD) met hoge resolutie op de Summit-supercomputer in de Oak Ridge Leadership Computing Facility bij ORNL.

“We namen onmiddellijk contact op met Jan-Michael en toonden onze interesse en motivatie in de mogelijkheid van een simulatie. Hoewel we weten hoe een MD-simulatie werkt, is het een ingewikkeld proces en hebben we er gewoon niet veel ervaring mee”, zegt Maya Endoh , een onderzoeksprofessor bij Stony Brook en co-auteur van de paper van het team, die eerder dit jaar werd gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces.

Rekentijd krijgen op Summit is natuurlijk niet zo eenvoudig als een telefoontje plegen – nanowetenschapsonderzoekers moeten zich aanmelden om dergelijk simulatiewerk bij de CNMS te ontvangen, en hun projecten worden onderworpen aan collegiale toetsing als onderdeel van het aanvraagproces. Maar dat is niet de enige dienst die Carrillo faciliteert. Naast toegang tot de ultramoderne apparatuur van CNMS voor nanowetenschappelijk onderzoek, bevindt hij zich ook in een unieke positie om neutronenbundeltijd aan te vragen bij ORNL’s Spallation Neutron Source voor toekomstige experimenten.

“Onze technieken voor lipide MD-simulaties zijn niet uniek. Wat uniek is, is dat we de middelen van de OLCF kunnen benutten, zodat we veel parameters kunnen scannen en grotere systemen kunnen doen, ” zei Carrillo. “Wat ook interessant is, is de SNS van ORNL – hun technieken komen overeen met de tijdschaal van de MD-simulaties. We zijn dus van plan om enkele resultaten van MD-simulaties rechtstreeks te vergelijken met de resultaten in SNS en met experimenten hier in de CNMS.”

De microbemoordenaar van de natuur nabootsen

Stony Brook’s Endoh en Tadanori Koga, een universitair hoofddocent, besloten om cicadevleugels te onderzoeken nadat ze waren geïnspireerd door een onderzoeksartikel uit 2012 dat in het tijdschrift was gepubliceerd Klein waarin hun vermogen werd beschreven om bacteriële cellen te doorboren met dodelijke gevolgen. Als onderzoekers in de polymeermateriaalwetenschap probeerden Endoh en Koga de nanopijlers van de vleugels te repliceren met gerichte zelfassemblage.

Zelfassemblage is een proces waarbij gebruik wordt gemaakt van blokcopolymeren die zijn samengesteld uit twee of meer chemisch verschillende homopolymeren die zijn verbonden door een covalente binding. De materialen bieden een eenvoudige en effectieve route om dichte, sterk geordende periodieke nanostructuren te fabriceren met gemakkelijke controle over hun geometrische parameters over willekeurig grote gebieden. De nanopilaren op de vleugels van een cicade hebben bijvoorbeeld over het algemeen een hoogte en tussenruimte van 150 nanometer, maar het variëren van die afmetingen had interessante resultaten.

“De cicadevleugel heeft een heel mooie pijlerstructuur, dus die hebben we besloten te gebruiken. Maar we wilden ook de structuur optimaliseren”, zei Koga. “Op dit moment weten we dat de cicadevleugel de hechting van bacteriën kan voorkomen, maar het mechanisme is niet duidelijk. Dus wilden we de grootte en de hoogte van de pilaar en de afstand tussen de pilaren controleren. En toen wilden we zien welke geometrische parameter cruciaal is voor het doden van bacteriën. Dat is het hele idee van dit project.”

Daniel Salatto, een gastonderzoeker bij het Brookhaven National Laboratory, kreeg de opdracht om de nano-oppervlakken te construeren en er experimenten op uit te voeren. Om de vleugel van een cicade na te bootsen, gebruikte hij een polymeer dat veel wordt gebruikt in verpakkingen, met name een diblokcopolymeer van polystyreen-blok-poly(methylmethacrylaat).

“Onze oorspronkelijke benadering om de pijlers bacteriedodend te maken, is heel eenvoudig: het diblokpolymeer kan technisch gezien zelf de nanostructuur creëren, zolang we de omgeving beheersen, ” zei Endoh. “Bovendien hebben we geen specifiek soort polymeer nodig. Daarom zijn we begonnen met polystyreen – polystyreen komt overal in ons dagelijks leven voor. En hoewel we een gewoon polymeer gebruiken, kunnen we dezelfde of vergelijkbare eigenschappen hebben die de de bacteriedodende eigenschap van de cicadevleugelkolom blijkt.”

Testresultaten experimenteel, virtueel

Salatto testte in het laboratorium de effectiviteit van de nano-oppervlakken tegen bacteriën door ze te incuberen in bouillons van Escherichia coli en Listeria monocytogenes. Eenmaal geëxtraheerd, werden de monsters onderzocht door middel van fluorescentiemicroscopie en Grazing-Incidence Small-Angle X-ray Scattering bij Brookhaven Lab’s National Synchrotron Light Source II om te bepalen wat er met de bacteriën was gebeurd. Niet alleen hadden de nano-oppervlakken de bacteriën gedood die ze aanraakten, maar ze hadden ook geen dode bacteriën of vuil op de oppervlakken opgehoopt.

“Het is bekend dat wanneer bacteriecellen afsterven en ze op oppervlakken absorberen, hun puin op het oppervlak blijft en het daardoor een betere omgeving wordt voor hun broeders om binnen te komen en bovenop hen te absorberen,” zei Salatto. “Dat is waar je veel biomedische materialen ziet falen, omdat er niets is dat puin aanpakt dat goed werkt zonder chemicaliën te gebruiken die min of meer giftig kunnen zijn voor de omliggende omgevingen.”

Maar hoe bereikten de pijlers van het nanooppervlak deze bacteriële uitroeiing? Dat is waar de simulaties van Carrillo enkele aanwijzingen geven voor het mysterie door te laten zien hoe en waar het celmembraan van de bacterie zich uitstrekte en instortte binnen de lokale structuur van de pilaren.

Voor het Stony Brook-project voerde Carrillo een MD-simulatie uit die uit ongeveer een miljoen deeltjes bestond. De omvang van het model was te danken aan de meerdere lengteschalen die werden onderzocht, de grootte van het lipidemolecuul en hoe het zich rond de pijlers van het nanooppervlak rangschikt, de afmetingen van de pijlers en de lengteschalen van de fluctuaties van het membraan.

“De resultaten van de simulatie toonden aan dat wanneer er een sterke interactie is tussen de bacterie en het nanosurface-substraat, de lipidekoppen sterk absorberen op de hydrofiele pijleroppervlakken en de vorm van het membraan aanpassen aan de structuur of kromming van de pijlers, ” zei Carrillo. “Een sterkere aantrekkelijke interactie stimuleert verder extra membraanhechting aan de pilaaroppervlakken. De simulaties suggereren dat membraanbreuk optreedt wanneer de pilaren voldoende spanning genereren in de lipidedubbellaag die aan de randen van pilaren is vastgeklemd.”

Deze bevinding kwam als een verrassing voor het Stony Brook-team, dat had verwacht dat het nauwkeurig nabootsen van het oorspronkelijke ontwerp van de natuur de beste resultaten zou opleveren. Maar hun best presterende monsters hadden niet dezelfde structuur of hoogte als de nanopilaren van de cicadevleugel.

“We dachten dat de hoogte belangrijk zou zijn voor de nanostructuur, omdat we oorspronkelijk verwachtten dat de hoogte van de pilaren zou werken als een naald om het membraan van de bacterie te doorboren. Maar het is niet zoals we dachten. Hoewel de hoogte van de nanopilaren klein is, de bacteriën stierven nog steeds automatisch, ‘zei Endoh. “Bovendien zagen we onverwachts geen enkele absorptie op het oppervlak, dus het is zelfreinigend. Men dacht dat dit kwam doordat het insect zijn vleugels bewoog om het puin van zich af te schudden. Maar met onze methodologie en structuren bewijzen we dat ze doden en reinigen gewoon vanzelf.”

Het team zal simulaties blijven gebruiken om een ​​completer beeld te krijgen van de mechanismen die in het spel zijn, met name de zelfreinigende functionaliteit, voordat het nanooppervlak wordt toegepast op biomedische apparaten.

Wat Carrillo betreft, hij zal zijn eigen studies van amfifiele lipide-achtige dubbellaagsystemen voortzetten, terwijl hij klaar blijft om andere nanowetenschappelijke onderzoekers te helpen die mogelijk de hulp van het CNMS, OLCF of SNS nodig hebben.