Een computersimulatie van de nanostructuur van een cicada-vleugelachtig oppervlak. Delen van de lipide-dubbellaag van een bacteriële celwand interacteren met de nanopilaren. Credit: Jan-Michael Carrillo/Oak Ridge National Laboratory
De kreten van de cicade klinken in de hete lucht en hun afgeworpen exoskeletten versieren boomtakken in het zuidoosten en middenwesten van de Verenigde Staten op het hoogtepunt van de zomer. Hoewel hun vermogen om in grote aantallen tevoorschijn te komen verbazingwekkend is, hebben ze ook andere verrassende eigenschappen. Hun vleugels doden bacteriën bij contact en zijn zelfreinigend.
Onderzoekers die gebruik maakten van de gebruikersfaciliteiten van het Department of Energy (DOE) Oak Ridge National Laboratory en Brookhaven National Laboratory onderzochten dit bizarre fenomeen. Ze leerden hoe structuren in de cellen in staat zijn om zo’n prestatie te leveren en hoe het gebruikt kan worden in medische toepassingen.
Van insecten tot biomedische toepassingen
Jarenlang wisten onderzoekers dat cicadavleugels unieke eigenschappen hadden, waaronder het afstoten van water en vuil. In 2012 ontdekten onderzoekers in Australië dat de cellen ook bacteriën doodden. Ze demonstreerden dit met een type bacterie dat bijzonder resistent is tegen antibiotica.
Voor microbiologen was dit een intrigerende one-two punch. Medische apparaten worden routinematig gesteriliseerd met chemische antibiotica die bacteriën doden. Maar ze kunnen de dode cellen niet van oppervlakken verwijderen.
Helaas maken dode bacteriën en ander biologisch afval het oppervlak gevaarlijk aantrekkelijk voor nog meer bacteriën. Zo is ongeveer de helft van de bacteriële infecties in bloed in langdurige zorginstellingen afkomstig van urineweginfecties die worden veroorzaakt door bioafval op katheters. Een technologie die microben kan doden en verwijderen, zou een game-changer kunnen zijn.
Het bouwen en testen van de pijlers
Voordat je iets in de natuur kunt nabootsen, moet je weten hoe het werkt. De Australische onderzoekers kwamen erachter dat het proces bestond uit kleine structuren in de vleugels, nanopilaren genaamd. Dit zijn cilinders die iets groter en breder zijn dan een duizendste van de breedte van een mensenhaar. Het proces bleef echter onbekend.
Daar kwamen wetenschappers van Stony Brook University om de hoek kijken. Ongeveer tien jaar later onderzochten ze hoe ze deze nanostructuren en hun functie buiten cicaden konden repliceren.
Eerst moesten ze de structuren opnieuw creëren. Polymeren, materialen die bestaan uit ketens van herhalende bouwstenen, zijn ideaal voor het creëren van kleine structuren. Ze vormen ook de kunststoffen om ons heen. Deels vanwege de alomtegenwoordigheid ervan kozen de onderzoekers voor polystyreen, ook wel bekend als piepschuim.
Om de kleine structuren te creëren, gebruikten de wetenschappers een nanowetenschappelijke techniek genaamd gerichte zelfassemblage. Naast hun eigen lab gebruikten de wetenschappers de tools van het Center for Functional Nanomaterials, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in Brookhaven National Laboratory.
Deze techniek kan dichte, consistente patronen op nanoschaalniveau maken. Met dit proces creëren wetenschappers de juiste omgeving voor een bepaald type polymeer om zichzelf in patronen te rangschikken. Om de patronen te analyseren, maakten de wetenschappers gebruik van de middelen van de National Synchrotron Light Source II-gebruikersfaciliteit, ook in Brookhaven National Laboratory.
Het resultaat? Kleine, gedrongen cilinders die loodrecht op het oppervlak stonden waarop ze waren gegroeid. Aan sommige pilaren voegden de wetenschappers ook een coating van titaniumoxide toe. Dit materiaal reageert meer met bacteriën dan polystyreen.
Toen kwam de grote vraag: vernietigen de synthetische structuren bacteriën net zo goed als de natuurlijke? Om daarachter te komen, lieten de onderzoekers de structuren 36 uur lang weken in een smerige microbiële “bouillon”. Het spreekt voor zich dat deze bouillon niet eetbaar was. De ene vloeistof zat vol met E. coli, terwijl de andere vol zat met Listeria monocytogenes, die allebei ernstige ziekten kunnen veroorzaken.
De test was een succes! De nanopilaren fungeerden als moordenaars en opruimploegen en doodden en elimineerden de bacteriën. De vlakke oppervlakken van dezelfde materialen deden dat daarentegen niet. Het enige verschil was dat de structuren met een coating effectiever waren dan die zonder. Terwijl de pilaren met alleen polystyreen effectief E. coli doodden, konden ze de listeria niet aan. De gecoate pilaren doodden en elimineerden daarentegen beide.
In het proces duiken
Maar de vraag bleef waarom de pilaren zich gedragen zoals ze doen, of ze nu natuurlijk of synthetisch zijn. De wetenschappers stelden de hypothese op dat de pilaren misschien het membraan van de celwand van de bacterie doorboorden.
Om dat te achterhalen, hadden de wetenschappers expertise en toegang tot tools nodig die grootschalige, hoge-resolutie moleculaire dynamische simulaties konden uitvoeren. Experts van de gebruikersfaciliteit van het Office of Science, Center for Nanophase Materials Sciences bij het Oak Ridge National Laboratory van het DOE, sprongen bij.
Ze hielpen het team bij het uitvoeren van simulaties op wat destijds de krachtigste supercomputer ter wereld was, Summit bij de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF). (Die is inmiddels overtroffen door OLCF’s eigen Frontier, naast andere computers.) Summit kan simulaties maken van ongelooflijk complexe systemen. Simuleren hoe een deel van het celmembraan interacteerde met representatieve pilaren, vereiste het simuleren van meer dan een miljoen deeltjes!
Wat uit de simulaties kwam, verraste de wetenschappers. De nanopilaren doorboorden de celmembranen helemaal niet! Sterker nog, het was een heel ander proces dan verwacht.
In werkelijkheid is het proces sterk afhankelijk van de structuur van celmembranen. Celmembranen bestaan uit twee lagen lipiden (vetten, oliën en vergelijkbare moleculen). Wanneer het celmembraan van de bacterie de nanopilaar raakt, hecht de kop van de lipide zich aan de pilaar. Terwijl het langs de pilaar naar beneden beweegt, trekt het de rest van het membraan met zich mee. Terwijl het de hele pilaar bedekt, rekt het membraan steeds verder uit, net als een ballon. Uiteindelijk is de spanning te groot en breekt het membraan.
Een andere verrassing was dat, hoewel de nanopilaren van de wetenschappers een andere hoogte hadden dan de natuurlijke, ze eigenlijk effectiever waren. Als de wetenschappers dit weten, kunnen ze de ideale hoogte bepalen.
Nu onderzoekt het team kwesties die kunnen opduiken in medische toepassingen. Het bestuderen van insectenvleugels lijkt misschien een onderzoek dat onmogelijk toepasbaar is op het leven van alledaagse mensen. Maar met de steun van de middelen en expertise van het DOE kunnen medische patiënten op een dag profiteren van de geweldige antibacteriële eigenschappen van cicaden.
Geleverd door het Amerikaanse ministerie van Energie
