Asas de cigarra: nanopilares rombos que matam e removem bactérias

As asas de cigarra conseguem matar bactérias e, ao mesmo tempo, eliminá-las da superfície. Agora, uma equipa de investigadores recorreu a simulações para analisar a função dos espigões rombos (nanopilares) existentes nessas asas - e os resultados trouxeram algumas surpresas.

Um desafio importante para a saúde: superfícies que impedem biofilmes

Perceber este processo natural pode ajudar a resolver um problema relevante na área da saúde. Dispositivos médicos, como cateteres, facilitam a colonização microbiana e a formação de biofilmes porque oferecem uma superfície onde as bactérias se conseguem fixar; por isso, os cientistas procuram desenvolver superfícies bactericidas mais eficazes.

Apesar de já terem sido investigadas as características químicas e físicas das asas de cigarra e de libélula, ainda existem muitas dúvidas sobre o que sustenta as suas propriedades antibacterianas - incluindo a forma como eliminam os vestígios das bactérias que matam.

O que ainda não se sabe sobre a adesão bacteriana nas asas de cigarra

"Neste momento, sabemos que a asa da cigarra consegue impedir a adesão de bactérias, mas o mecanismo não é claro", afirma Tadanori Koga, engenheiro químico na Universidade de Stony Brook, em Nova Iorque.

Depois de ler um estudo de 2012 que descrevia a perfuração letal de células bacterianas por asas de cigarra, Koga e a física de polímeros Maya Endoh, também da Universidade de Stony Brook, decidiram replicar e estudar os nanopilares dessas asas.

"A asa da cigarra tem uma estrutura de pilares muito boa, por isso foi isso que decidimos usar. Mas também queríamos optimizar a estrutura", explica Koga.

Como foram replicados os nanopilares: polímeros e uma base de silício

Para reproduzir a asa de um destes insectos, o cientista de materiais Daniel Salatto, da Universidade de Stony Brook, utilizou um polímero comum na indústria de embalagens para fabricar microestruturas em forma de pilares sobre uma base de silício.

"O polímero dibloco, tecnicamente, consegue criar a nanoestrutura por si só, desde que consigamos controlar o ambiente", diz Endoh. "Mesmo usando um polímero comum, podemos obter a mesma propriedade - ou uma propriedade semelhante - à que a coluna da asa de cigarra demonstra na sua função bactericida."

Nas asas de cigarra, os nanopilares têm cerca de 150 nanómetros (nm) de altura e estão separados por aproximadamente a mesma distância. Ainda assim, a equipa testou dimensões diferentes para perceber como isso alterava o processo.

"Achámos que a altura seria importante para a nanoestrutura, porque inicialmente esperávamos que a altura dos pilares actuasse como uma agulha para perfurar a membrana da bactéria", esclarece Endoh.

Testes laboratoriais: nanopilares muito baixos matam E. coli e deixam a superfície limpa

Nos ensaios em laboratório, descobriram que superfícies com nanopilares extremamente pequenos - cerca de 10 nm de altura, 50 nm de largura e 70 nm de espaçamento - eram muito eficazes a matar bactérias Escherichia coli e, além disso, a libertá-las durante pelo menos 36 horas. Isto evitou a acumulação de bactérias mortas ou de detritos na superfície.

"Sabe-se que, por vezes, quando as células bacterianas morrem e ficam adsorvidas às superfícies, os seus detritos permanecem ali e, por isso, tornam o ambiente mais favorável para que outras bactérias cheguem e se adsorvam por cima", explica Salatto.

"É aí que muitos materiais biomédicos falham, porque não existe nada que lide bem com os detritos sem recorrer a químicos que, em maior ou menor grau, podem ser tóxicos para os ambientes circundantes."

Mesmo assim, continuava por esclarecer de que forma os nanopilares conseguiam cumprir estas duas tarefas em simultâneo: matar e remover as bactérias da superfície.

Simulações de dinâmica molecular: como a membrana rompe e depois se desprende

Para compreender o funcionamento destas superfícies, a equipa pediu ajuda a Jan-Michael Carrillo, químico computacional do Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee, que executou simulações de dinâmica molecular (DM) de alta resolução usando um modelo simplificado da bactéria E. coli.

As simulações de DM à escala alargada, com cerca de um milhão de partículas, mostraram que, quando as bactérias entram em contacto com a superfície com pilares, a camada lipídica externa (membrana) interage fortemente com os nanopilares.

"As cabeças lipídicas adsorvem-se fortemente às superfícies hidrofílicas dos pilares e fazem com que a forma da membrana se adapte à estrutura ou curvatura dos pilares", descreve Carrillo.

"Uma interacção atractiva mais forte incentiva ainda mais a fixação adicional da membrana às superfícies dos pilares. As simulações sugerem que a ruptura da membrana ocorre quando os pilares geram tensão suficiente na bicamada lipídica, presa nas extremidades dos pilares."

Após a ruptura, a membrana continua sob esforço e a tensão aumenta até que as bactérias se desprendem dos pilares - o que, na prática, deixa a superfície limpa.

Revestimento com TiO₂ e efeito em bactérias Gram-positivas

Quando foi aplicada uma camada fina de óxido de titânio (TiO₂) nos pilares, a capacidade de matar bactérias e de as libertar tornou-se ainda mais eficaz. Além disso, este efeito também se verificou contra uma bactéria Gram-positiva chamada Listeria monocytogenes.

As bactérias Gram-positivas têm uma camada externa menos “elástica”, pelo que o esforço se concentra mais nos pontos onde se prendem aos pilares, levando-as a romper com facilidade. No entanto, sem TiO₂, as células não pareciam ter uma atracção suficientemente forte pelos pilares.

Embora alguns aspectos do mecanismo ainda precisem de ser melhor explicados, os cientistas ficaram surpreendidos por o método mais eficiente não resultar de copiar exactamente o desenho da natureza.

"Não é da forma como pensávamos", afirma Endoh. "Mesmo com nanopilares baixos, as bactérias continuaram a morrer automaticamente. Além disso, inesperadamente, não vimos qualquer adsorção na superfície, por isso ela é autolimpante.

"Isto era atribuído ao facto de o insecto mexer as asas para sacudir os detritos. Mas, com a nossa metodologia e estruturas, provamos que elas matam e limpam naturalmente, por si próprias."

A equipa pretende realizar mais simulações para identificar outros mecanismos, sobretudo a função autolimpante, com o objectivo de melhorar revestimentos antibacterianos para uso na área médica.

O estudo foi publicado na revista ACS Materiais Aplicados e Interfaces.