Wissenschaftler nutzen Supercomputer, um herauszufinden, wie Zikadenflügel Bakterien abtöten

Im letzten Jahrzehnt haben Teams aus Ingenieuren, Chemikern und Biologen die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Zikadenflügeln analysiert, in der Hoffnung, das Geheimnis ihrer Fähigkeit zu lüften, Mikroben bei Kontakt abzutöten. Wenn diese Funktion der Natur von der Wissenschaft nachgeahmt werden kann, könnte dies zur Entwicklung neuer Produkte mit inhärent antibakteriellen Oberflächen führen, die wirksamer sind als aktuelle chemische Behandlungen.

Als Forscher am Department of Materials Science and Chemical Engineering der Stony Brook University eine einfache Technik entwickelten, um die Nanostruktur des Zikadenflügels zu duplizieren, fehlte ihnen noch eine wichtige Information: Wie beseitigen die Nanosäulen auf seiner Oberfläche tatsächlich Bakterien? Zum Glück wussten sie genau, wer ihnen bei der Suche nach der Antwort helfen konnte: Jan-Michael Carrillo, Forscher am Center for Nanophase Materials Sciences am Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums.

Für Nanowissenschaftsforscher, die rechnerische Vergleiche und Erkenntnisse für ihre Experimente suchen, bietet Carrillo einen einzigartigen Service: groß angelegte, hochauflösende Simulationen der Molekulardynamik (MD) auf dem Summit-Supercomputer in der Oak Ridge Leadership Computing Facility am ORNL.

„Wir haben Jan-Michael sofort kontaktiert und unser Interesse und unsere Motivation für die Möglichkeit einer Simulation zum Ausdruck gebracht. Obwohl wir wissen, wie eine MD-Simulation funktioniert, ist es ein komplizierter Prozess, und wir haben einfach nicht viel Erfahrung damit“, sagte Maya Endoh , Forschungsprofessor an der Stony Brook University und Co-Autor der Arbeit des Teams, die Anfang des Jahres in veröffentlicht wurde ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen.

Natürlich ist es nicht so einfach, Rechenzeit auf dem Summit zu bekommen, wie einen Anruf zu tätigen – Nanowissenschaftsforscher müssen sich bewerben, um solche Simulationsarbeiten am CNMS zu erhalten, und ihre Projekte unterliegen im Rahmen des Bewerbungsprozesses einer Begutachtung durch Fachkollegen. Aber das ist nicht der einzige Service, den Carrillo anbietet. Er hat nicht nur Zugriff auf die hochmoderne Ausrüstung des CNMS für die nanowissenschaftliche Forschung, sondern ist auch in der Lage, Neutronenstrahlzeit an der Spallations-Neutronenquelle des ORNL für zukünftige Experimente anzufordern.

„Unsere Techniken für Lipid-MD-Simulationen sind nicht einzigartig. Einzigartig ist, dass wir die Ressourcen des OLCF nutzen können, sodass wir viele Parameter scannen und größere Systeme erstellen können“, sagte Carrillo. „Interessant ist auch das SNS des ORNL – seine Techniken entsprechen der Zeitskala der MD-Simulationen. Daher planen wir, einige der Ergebnisse aus MD-Simulationen direkt mit den Ergebnissen in SNS sowie mit Experimenten hier im CNMS zu vergleichen.“

Nachahmung des Mikrobenkillers der Natur

Endoh von Stony Brook und Tadanori Koga, ein außerordentlicher Professor, beschlossen, Zikadenflügel zu untersuchen, nachdem sie sich von einem 2012 in der Zeitschrift veröffentlichten Forschungsartikel inspirieren ließen Klein Darin wurde ihre Fähigkeit beschrieben, Bakterienzellen mit tödlichem Ausgang zu durchstechen. Als Forscher auf dem Gebiet der Polymermaterialwissenschaften versuchten Endoh und Koga, die Nanosäulen der Flügel durch gezielte Selbstorganisation nachzubilden.

Selbstorganisation ist ein Prozess, bei dem Blockcopolymere aus zwei oder mehr chemisch unterschiedlichen Homopolymeren verwendet werden, die durch eine kovalente Bindung verbunden sind. Die Materialien bieten einen einfachen und effektiven Weg zur Herstellung dichter, hochgeordneter periodischer Nanostrukturen mit einfacher Kontrolle ihrer geometrischen Parameter über beliebig große Flächen. Beispielsweise haben die Nanosäulen auf den Flügeln einer Zikade im Allgemeinen eine Höhe und einen Abstand von 150 Nanometern, aber die Variation dieser Abmessungen führte zu interessanten Ergebnissen.

„Der Zikadenflügel hat eine wirklich schöne Säulenstruktur, deshalb haben wir uns für diese entschieden. Wir wollten aber auch die Struktur optimieren“, sagte Koga. „Zu diesem Zeitpunkt wissen wir, dass der Zikadenflügel das Anhaften von Bakterien verhindern kann, aber der Mechanismus ist nicht klar. Deshalb wollten wir die Größe und Höhe der Säule sowie den Abstand zwischen den Säulen kontrollieren. Und dann wollten wir es sehen.“ Welcher geometrische Parameter ist für die Abtötung von Bakterien entscheidend? Das ist die ganze Idee dieses Projekts.“

Daniel Salatto, Gastforscher am Brookhaven National Laboratory, wurde mit der Konstruktion der Nanooberflächen und der Durchführung von Experimenten damit beauftragt. Um den Flügel einer Zikade nachzuahmen, verwendete er ein Polymer, das häufig in Verpackungen verwendet wird, insbesondere ein Polystyrol-Block-Poly(methylmethacrylat)-Diblockcopolymer.

„Unser ursprünglicher Ansatz, die Säulen bakterizid zu machen, ist sehr einfach – das Diblock-Polymer kann technisch gesehen die Nanostruktur selbst erzeugen, solange wir die Umgebung kontrollieren“, sagte Endoh. „Außerdem brauchen wir kein bestimmtes Polymer. Deshalb haben wir mit Polystyrol begonnen – Polystyrol kommt überall in unserem täglichen Leben vor. Und obwohl wir ein gewöhnliches Polymer verwenden, können wir die gleichen oder ähnliche Eigenschaften haben wie das.“ Die bakterizide Eigenschaft der Zikade-Flügelsäule zeigt sich.“

Ergebnisse experimentell, virtuell testen

Salatto testete im Labor die Wirksamkeit der Nanooberflächen gegen Bakterien, indem er sie in Brühen von Escherichia coli und Listeria monocytogenes inkubierte. Nach der Extraktion wurden die Proben mittels Fluoreszenzmikroskopie und Kleinwinkel-Röntgenstreuung unter streifendem Einfall an der National Synchrotron Light Source II des Brookhaven Lab untersucht, um festzustellen, was mit den Bakterien passiert war. Die Nanooberflächen töteten nicht nur die Bakterien ab, die sie berührten, sondern sammelten auch keine toten Bakterien oder Ablagerungen auf den Oberflächen an.

„Es ist bekannt, dass manchmal, wenn Bakterienzellen absterben und sich auf Oberflächen aufsaugen, ihre Trümmer auf der Oberfläche bleiben und somit eine bessere Umgebung für ihre Brüder schaffen, die hereinkommen und sich auf ihnen aufsaugen können“, sagte Salatto. „An diesem Punkt scheitern viele biomedizinische Materialien, denn es gibt nichts, das gut gegen Abfälle wirkt, ohne Chemikalien zu verwenden, die mehr oder weniger giftig für die Umgebung sein könnten.“

Aber wie haben die Säulen der Nanooberfläche diese Bakterienvernichtung erreicht? Hier liefern Carrillos Simulationen einige Hinweise auf das Rätsel, indem sie zeigen, wie und wo sich die Zellmembran der Bakterien innerhalb der lokalen Struktur der Säulen ausdehnte und kollabierte.

Für das Stony Brook-Projekt führte Carrillo eine MD-Simulation durch, die aus etwa einer Million Partikeln bestand. Die Größe des Modells beruhte auf den mehreren untersuchten Längenskalen, der Größe des Lipidmoleküls und seiner Anordnung um die Säulen der Nanooberfläche, den Abmessungen der Säulen und den Längenskalen der Schwankungen der Membran.

„Die Ergebnisse der Simulation zeigten, dass bei starker Wechselwirkung zwischen dem Bakterium und dem Nanooberflächensubstrat die Lipidköpfe stark an den hydrophilen Säulenoberflächen absorbieren und die Form der Membran an die Struktur oder Krümmung der Säulen anpassen“, sagte Carrillo. „Eine stärkere attraktive Wechselwirkung fördert zusätzlich die Anhaftung der Membran an den Säulenoberflächen. Die Simulationen deuten darauf hin, dass ein Membranbruch auftritt, wenn die Säulen eine ausreichende Spannung innerhalb der Lipiddoppelschicht erzeugen, die an den Rändern der Säulen festgeklemmt ist.“

Dieses Ergebnis überraschte das Stony Brook-Team, das erwartet hatte, dass eine genaue Nachahmung des ursprünglichen Designs der Natur die besten Ergebnisse liefern würde. Ihre leistungsstärksten Proben hatten jedoch nicht die gleiche Struktur oder Höhe wie die Nanosäulen der Zikadenflügel.

„Wir dachten, dass die Höhe für die Nanostruktur wichtig sein würde, weil wir ursprünglich erwartet hatten, dass die Höhe der Säulen wie eine Nadel zum Durchstechen der Membran der Bakterien wirkt. Aber das ist nicht so, wie wir dachten. Auch wenn die Höhe der Nanosäulen gering ist, ist die Höhe der Nanosäulen gering Bakterien starben immer noch automatisch“, sagte Endoh. „Außerdem konnten wir überraschenderweise keine Absorption auf der Oberfläche feststellen, sie ist also selbstreinigend. Man ging davon aus, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass das Insekt seine Flügel bewegt, um die Trümmer abzuschütteln. Aber mit unserer Methodik und unseren Strukturen beweisen wir das.“ Sie töten und reinigen ganz von selbst.“

Das Team wird weiterhin Simulationen verwenden, um ein vollständigeres Bild der beteiligten Mechanismen zu entwickeln, insbesondere der Selbstreinigungsfunktion, bevor die Nanooberfläche auf biomedizinische Geräte angewendet wird.

Carrillo wird seine eigenen Studien zu amphiphilen lipidähnlichen Doppelschichtsystemen fortsetzen und gleichzeitig bereit sein, andere Nanowissenschaftsforscher zu unterstützen, die möglicherweise die Hilfe des CNMS, OLCF oder SNS benötigen.