Simulações revelam como nanopilares das asas de cigarra matam e removem bactérias

As asas de cigarra conseguem matar bactérias e ainda removê-las da própria superfície. Agora, pesquisadores recorreram a simulações para investigar como funcionam as saliências rombas (espículas) presentes nessas asas - e os resultados trouxeram algumas surpresas.

O problema: biofilmes em dispositivos médicos

Compreender esse processo natural pode ajudar a enfrentar um desafio importante na saúde. Dispositivos médicos como cateteres facilitam a colonização microbiana e a formação de biofilmes ao oferecerem uma superfície onde as bactérias conseguem se fixar; por isso, cientistas buscam desenvolver superfícies bactericidas mais eficientes.

Embora estudos anteriores já tenham explorado características químicas e físicas das asas de cigarras e libélulas, ainda existe muita incerteza sobre o que explica suas propriedades antibacterianas - inclusive sobre como elas eliminam os vestígios das bactérias que matam.

"Neste momento, sabemos que a asa de cigarra pode impedir a adesão de bactérias, mas o mecanismo não está claro", diz Tadanori Koga, engenheiro químico da Stony Brook University, em Nova York.

Nanopilares das asas de cigarra: copiar e otimizar a estrutura

Após ler um estudo de 2012 sobre como asas de cigarra perfuram e matam células bacterianas, Koga e a física de polímeros Maya Endoh, também da Stony Brook University, decidiram reproduzir e analisar os nanopilares dessas asas.

"A asa de cigarra tem uma estrutura de pilares muito boa, então foi isso que decidimos usar. Mas também queríamos otimizar a estrutura", afirma Koga.

Para imitar a asa de um desses insetos, o cientista de materiais Daniel Salatto, da Stony Brook University, utilizou um polímero comum em embalagens para fabricar microestruturas em forma de pilares sobre uma base de silício.

"O copolímero dibloco tecnicamente consegue criar a nanoestrutura sozinho, desde que controlemos o ambiente", diz Endoh. "Mesmo usando um polímero comum, podemos obter a mesma ou uma propriedade semelhante à propriedade bactericida que a coluna da asa de cigarra apresenta."

Nas asas de cigarra, os nanopilares têm cerca de 150 nanômetros (nm) de altura e ficam separados por aproximadamente a mesma distância. Ainda assim, a equipe testou diferentes dimensões para observar como isso alteraria o processo.

"Achávamos que a altura seria importante para a nanoestrutura, porque inicialmente esperávamos que a altura dos pilares estivesse agindo como uma agulha para perfurar a membrana da bactéria", explica Endoh.

Nos testes de laboratório, eles observaram que superfícies com nanopilares ultrabaixos - em torno de 10 nm de altura, 50 nm de largura e 70 nm de espaçamento - foram muito eficazes para matar bactérias Escherichia coli e, além disso, liberá-las por pelo menos 36 horas, sem acúmulo de bactérias mortas ou detritos na superfície.

"Sabe-se que, às vezes, quando células bacterianas morrem e aderem às superfícies, os detritos ficam ali e, portanto, tornam o ambiente melhor para que as ‘irmãs’ delas cheguem e se prendam por cima", explica Salatto.

"É aí que vemos muitos materiais biomédicos falharem, porque não há nada que lide com detritos de forma eficaz sem usar substâncias químicas que, em maior ou menor grau, podem ser tóxicas para os ambientes ao redor."

Mesmo assim, ainda faltava entender com precisão como os nanopilares conseguem cumprir a dupla função de matar e remover as bactérias da superfície.

O que as simulações mostraram sobre ruptura e autolimpeza

Para esclarecer o funcionamento dessas superfícies, o grupo pediu ajuda a Jan-Michael Carrillo, químico computacional do Oak Ridge National Laboratory, no Tennessee. Ele executou simulações de dinâmica molecular (MD) em alta resolução usando um modelo simplificado da bactéria E. coli.

Simulações de MD em larga escala, com cerca de um milhão de partículas, indicaram que, quando a bactéria entra em contato com a superfície com pilares, a camada externa lipídica (membrana) interage fortemente com os nanopilares.

"As cabeças lipídicas se adsorvem fortemente nas superfícies hidrofílicas dos pilares e fazem com que o formato da membrana se conforme à estrutura ou à curvatura dos pilares", diz Carrillo.

"Uma interação atrativa mais forte incentiva ainda mais a adesão adicional da membrana às superfícies dos pilares. As simulações sugerem que a ruptura da membrana ocorre quando os pilares geram tensão suficiente dentro da bicamada lipídica, presa nas bordas dos pilares."

Depois de romper, a membrana continua sob estresse; a tensão segue aumentando até que a bactéria se desprende dos pilares, o que na prática deixa a superfície limpa.

TiO₂ e desempenho contra bactérias Gram-positivas

Ao adicionar uma camada fina de óxido de titânio (TiO2) aos pilares, as propriedades de matar e liberar bactérias ficaram ainda melhores - e a superfície também funcionou contra a bactéria Gram-positiva Listeria monocytogenes.

Bactérias Gram-positivas têm uma camada externa menos “elástica”, e por isso a tensão se concentra mais nos pontos em que elas se prendem aos pilares, fazendo com que se rompam com facilidade. Porém, sem TiO2, as células não pareciam ter atração forte o bastante pelos pilares.

Alguns aspectos desses mecanismos ainda precisam de esclarecimento, mas chamou a atenção dos cientistas que o caminho mais eficiente não foi simplesmente copiar o desenho da natureza.

"Não é do jeito que pensávamos", diz Endoh. "Mesmo com nanopilares de pouca altura, as bactérias ainda morreram automaticamente. Além disso, de forma inesperada, não vimos nenhuma adsorção na superfície, então ela se autolimpa.

"Achava-se que isso ocorria porque o inseto movimenta as asas para sacudir os detritos. Mas, com nossa metodologia e nossas estruturas, provamos que elas simplesmente matam e limpam naturalmente por conta própria."

A equipe pretende realizar novas simulações para descobrir outros mecanismos, sobretudo o da autolimpeza, com o objetivo final de aprimorar revestimentos antibacterianos para aplicações médicas.

A pesquisa foi publicada na revista ACS Applied Materials & Interfaces.