Billionen von periodischen Zikaden – mehrere Arten der Gattung Magicicada, die alle 13 oder 17 Jahre auftauchen – brachen diesen Sommer im Osten der USA den Boden auf. Nachrichtenagenturen verglichen das Ereignis mit Armageddonein Apokalypse oder ein Invasion. Aber wie steht es mit Wörtern wie „hypnotisierend“, „mysteriös“ oder „magisch“?
Der Gattungsname Magicicada bezieht sich auf die schiere Größe der Zikaden, die gleichzeitig durch die Erde kriechen, um das Sonnenlicht zu erreichen. Dieses Jahr ist ein besonderes für den Staat Illinois: Sowohl die 13-jährigen Zikaden der Great Southern Brood XIX als auch die 17-jährigen Zikaden der Great Northern Brood XIII sind in großer Zahl aufgetaucht. Dieses gleichzeitige Auftauchen ist seit 1803 nicht mehr aufgetreten und wird auch in den nächsten 221 Jahren nicht mehr vorkommen.
Es war beste Zeit für Entomologen und Forscher am Beckman Institute for Advanced Science and Technology der University of Illinois Urbana-Champaign.
„Wir nutzen Zikaden und andere Insekten als Inspiration für die Entwicklung neuer Materialien. Als Biologen wollen wir diese Materialien auch nutzen, um dann in die entgegengesetzte Richtung zu gehen. Die Prototypen, die wir entwickelt haben und die zu marktfähigen neuen Oberflächen für verschiedene Branchen führen können, können uns also auch dabei helfen, grundlegende biologische Fragen zur natürlichen Selektion zu klären“, sagte Marianne Alleyne, Professorin für Entomologie und Maschinenbau und Ingenieurwissenschaften in Illinois.
Die Arbeit ihres Labors dreht sich um bioinspiriertes Design: den Prozess des Lernens von der Natur, um neue Materialien und Technologien zu entwickeln.
Yutao Chen, Biologe und Doktorand in Alleynes ABC-Laboruntersucht die antibakteriellen Eigenschaften von Zikadenflügeln, um funktionale, von Zikaden inspirierte Oberflächen herzustellen.
„Die Flügel der Zikaden sind superhydrophob, das heißt, sie sind wirklich wasserdicht und sie haben außerdem hervorragende antibakterielle Eigenschaften“, sagte Chen.
Was ist das Geheimnis hinter den Superkräften dieser Zikadenflügel?
Für das bloße Auge erscheinen die durchscheinenden Flügel glatt und ohne Merkmale. Unter dem Rasterelektronenmikroskop in Beckmans Mikroskopie-Suite vergrößert Chen einen Zikadenflügel 10.000-fach. Beim Heranzoomen treten wirbelnde Muster hervor und mikroskopische Merkmale, sogenannte Nanosäulen, treten in den Fokus.
Jede Nanosäule ist etwa 150 Nanometer breit und 200 bis 400 Nanometer hoch. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 1000 Mal dicker als eine einzelne Nanosäule. Die Nanosäulen sind gleichmäßig über jeden Flügel verteilt, können aber je nach Art unterschiedlich groß sein. Sie bilden eine raue Oberfläche, die den Flügeln ihre hydrophoben, also wasserabweisenden und antibakteriellen Eigenschaften verleiht.
Wenn Mikroben auf den Nanosäulen landen oder sich darauf bewegen, wird ihre Außenmembran beschädigt. Mikrobielle Kontamination stellt eine Bedrohung für Zikaden dar und ist ein weit verbreitetes Problem in der menschlichen Gesellschaft: in der Schifffahrt, in Unterwasserpipelines, in medizinischen Implantaten und anderen Geräten und Anwendungen, sagte Chen.
Versuche, Mikroben von Materialien fernzuhalten, erfolgen meist in Form von Oberflächenbeschichtungen, die mit der Zeit beschädigt werden und ihre Wirksamkeit verlieren. Antibiotika werden häufig zur Behandlung von Bakterien während einer Infektion eingesetzt, aber ein übermäßiger Einsatz führt schließlich zu mikrobieller Resistenz.
„Es ist zwingend erforderlich, langlebige Oberflächen zu entwickeln, die mechanisch antibakteriell sind“, sagte Chen.
Die nanogroßen Vorsprünge auf den Flügeln der Zikaden sind die perfekte Inspiration für die Entwicklung dieser neuen Materialien.
Chen verwendet eine flexible und vielseitige Replikationsmethode im Nanomaßstab namens Nanoimprinting-Lithografie, um die nanoskopischen Merkmale von Zikadenflügeln nachzuahmen. Die Replikate bestehen aus Polystyrol, einem Polymermaterial, das nicht von Natur aus antibakteriell ist. Sobald das Polystyrol mit Nanosäulen der richtigen Größe strukturiert ist, wird es bakterizid, d. h. es kann Bakterien zerstören.
Diese Replikationsmethode kann mit der Pulsgalvanisierung, einer Metallabscheidungstechnik, kombiniert werden, um Replikate von Kupfernanosäulen zu erzeugen. Chen untersucht sie für Anwendungen wie Luft- und Wasserfiltration oder um leitfähigere Elektroden zu entwickeln.
Chen verwendet Beckmans Umwelt-Rasterelektronenmikroskop, um Pseudomonas aeruginosa-Bakterien auf natürlichen und nachgebauten Nanosäulen zu beobachten, und ein konfokales Laser-Rastermikroskop, um zu beurteilen, wie gut biologische und künstlich hergestellte Nanosäulenoberflächen Bakterien zerstören können. In den meisten Fällen durchstechen oder zerreißen die Nanosäulen einfach die äußere Membran der Bakterien, um sie abzustoßen oder zu zerstören.
Chens Bilder zeigen, dass sich die Nanosäulen verbiegen, wenn sie mit Bakterien in Kontakt kommen.
Es sei möglich, dass die Säulen elastische Energie speichern und freisetzen, wenn sie mit den Bakterien in Kontakt kämen, was letztlich zu einer Dehnung und zum Zerreißen der Membran führen würde, sagte Chen.
Mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops kann es schwierig sein, die Membran genau in dem Moment zu visualisieren, in dem sie durchstochen wird, weil Flüssigkeiten aus der Bakterienzelle austreten und die Sicht behindern.
Um festzustellen, welche Bakterien angestochen wurden, verwendet Chen ein konfokales Lasermikroskop und einen speziellen Farbstoff, der die Bakterien anfärbt – lebende Bakterienzellen mit intakten Membranen färben sich grün, während nicht lebensfähige Zellen rot gefärbt sind.
Die Größe und Struktur der von Chen nachgebauten Nanosäulen entsprechen weitgehend den natürlichen Nanosäulen auf Zikadenflügeln. Indem Chen die ursprünglichen Abmessungen und Größenverhältnisse beibehält, bewahrt er auch die Funktionalität. Die künstlich hergestellten Nanosäulen können innerhalb von drei Stunden mehr als 95 % der Bakterien zerstören.
Es gebe noch viel zu tun, sagte Chen.
Zu den Plänen für die Zukunft gehören das Experimentieren mit verschiedenen Herstellungstechniken und die Beobachtung dynamischerer Interaktionen zwischen Bakterien und den replizierten Oberflächen mithilfe von Mikrofluidiktechniken. Das Mikrofluidikprojekt umfasst die Verwendung winziger Kanäle, die es Chen ermöglichen, flüssige Bakterienmischungen über verschiedene Nanosäulenoberflächen fließen zu lassen.