Wings of cicadas ditutup dengan mikroskoppture bakterisida • Roman Rakitov • Berita sains mengenai "Unsur" • Entomologi, Biofisika, Bionanoteknologi

Sayap cicadas ditutup dengan mikroskoppture bakterisida

Rajah. 1. A. Menyanyi cicada Psaltoda claripennis (gambar dari www.pbase.com). V. Permukaan sayap cicada dalam mikroskop elektron pengimbasan; bar skala adalah 2 μm panjang (gambar dari kerja yang dibincangkan oleh Ivanova et al., 2012). C. Bakteria Pseudomonas aeruginosa dalam mikroskop elektron imbasan (gambar dari commons.wikimedia.org). D. Bakteria spesies ini dibunuh di permukaan sayap cicada, yang difoto dalam mikroskop elektron imbasan (gambar dari kerja yang dibincangkan Ivanova et al., 2012)

Pada tahun 2012, satu pasukan saintis yang mempelajari cara melindungi bahan daripada mengotorkan dengan filem mikrobial, melaporkan tentang penemuan kesan yang tidak dijangka: bakteria yang mematuhi sayap cicadas dalam pecah medium berair dan mati. Ternyata kesan ini tidak ditentukan oleh sifat biologi atau kimia permukaan sayap, tetapi dengan bantuan spesifiknya: permaidani duri mikroskopik. Pada bulan Februari tahun ini, kumpulan saintis yang sama mengemukakan hipotesis yang menjelaskan bagaimana mikroskoppt yang mematikan berfungsi. Teknologi nanoteknologi moden dengan mudah dapat menghasilkannya, maka dalam masa terdekat ini prinsip ini boleh membawa kepada penciptaan kelas baru bakterisida tiruan.

Menyanyi Cicada Wings Psaltoda claripennis kelihatan telus seperti kaca (gamb.1A), tetapi pada pembesaran yang tinggi dapat dilihat bahawa permukaannya ketat dengan spin pada ketinggian 200 nm dan dengan diameter dasar 100 nm (Rajah 1B). Sekumpulan saintis dari beberapa institut di Australia dan Sepanyol tertanya-tanya sama ada nanorelief seperti itu boleh menghalang bakteria daripada melekat dalam persekitaran akuatik (melindungi permukaan dari pengikisan mikroba adalah tugas mendesak dalam kejuruteraan dan perubatan). Sayap terbenam dalam penyelesaian yang mengandungi Pseudomonas aeruginosa – bakterium yang berbentuk rod yang dapat menyebabkan beberapa penyakit manusia (Rajah 1C). Walaupun permukaan yang tidak rata, bakteria mematuhi sayap dalam kuantiti yang banyak, bagaimanapun, sebagai peraturan, dalam masa 5 minit selepas bersentuhan mereka mati. Proses ini dapat diperhatikan menggunakan mikroskop confocal laser di hadapan pewarna neon, yang mengikat secara berbeza untuk hidup, mati, dan sel-sel mati, menyebabkan mereka bercahaya dalam warna yang berbeza.

Apabila sayap kering dan diperiksa dalam mikroskop elektron imbasan, ternyata bahawa mereka telah ditampal dengan cangkang bakteria kosong ditekan ke karpet tulang belakang (Rajah 1D). Sejak kajian dalam mikroskop pengimbasan dilakukan dalam vakum dan memerlukanpra-pengeringan sampel, ia mungkin untuk mengesyaki bahawa bakteria mengambil penampilan ini sebagai persediaan untuk mikroskopi. Walau bagaimanapun, para penyelidik berjaya mendaftarkan pemusnahan bakteria bersentuhan dengan sayap dan lekukannya ke dalam bantuan secara langsung dalam persekitaran akuatik menggunakan mikroskop berkuatkuasa atom (lihat butiran dalam Rajah 2). Perlu diperhatikan bahawa ini berlaku dalam kes apabila sebelum eksperimen filem emas nipis (10 nm) disembur ke sayap dengan bantuan magnetron. Oleh kerana patung sayap berlapis secara praktikal tidak berbeza dari yang semula jadi, dan sifat kimia mereka berubah secara radikal, eksperimen ini membuktikan bahawa ia adalah arca permukaan yang memusnahkan bakteria.

Rajah. 2 Pemusnahan sel bakteria pada duri sayap bisul, dikesan langsung dalam medium berair (tidak ditunjukkan) menggunakan mikroskop berkuatkuasa atom (AFM). Kedudukan siasatan dicatatkan dalam bentuk batang anjal tipis dengan tip berukuran nano pada akhir yang bersentuhan dengan bakteria. Grafik menunjukkan bahawa selepas tempoh awal lancar merendahkan, apabila bakteria secara beransur-ansur ditekan ke dalam permaidani lonjakan, probe secara mendadak menurun sebanyak 200 nm, yang sesuai dengan ketinggian duri, iaitu, bakteria pecah.Angka-angka dari artikel dibincangkan Ivanova et al., 2012

Sejak abad XIX, bakteria dibahagikan kepada dua kumpulan – gram-positif dan gram-negatif; kumpulan pertama adalah bernoda oleh kaedah Gram, dan kedua, masing-masing, tidak berwarna, yang mencerminkan perbezaan dalam struktur dan komposisi dinding sel bakteria dalam kumpulan-kumpulan ini. Dalam kerja seterusnya, penulis membandingkan tindakan sayap tersebut Psaltoda claripennis pada 4 jenis gram-negatif dan 3 jenis bakteria gram-positif. Ternyata kesan bakteria diperhatikan hanya berkaitan dengan gram negatif dan tidak bergantung kepada bentuk sel bakteria (tongkat atau cocci). Oleh kerana kerang kebanyakan bakteria gram-positif lebih tahan lama, penulis menyimpulkan bahawa fenomena ini adalah berdasarkan interaksi permukaan sayap dengan membran bakteria.

Dalam artikel terakhir mereka, penulis mencadangkan penjelasan hipotesis tentang kesan yang ditemui oleh mereka dan menyokongnya dengan pengiraan. Sejak duri lebih kecil daripada bakteria, model yang dicadangkan (Rajah 3) mengabaikan bentuk yang terakhir dan menggambarkan interaksi permaidani tulang belakang dengan permukaan rata bakterium. Sebaliknya, kerana ketebalan kulit bakteria – sekitar 10 nm – kecil berbanding dengan ketinggian duri, shell ini boleh dianggap sebagai membran elastik.Dianggap bahawa selepas hubungan awal bakteria dengan ujung duri, daya melekat (gluing) cenderung meningkatkan kawasan sentuhan. Spin secara beransur-ansur ditarik ke dalam bakteria, cangkangnya cacat, dan bahagian-bahagian cangkang pada selang-selang antara duri-duri itu terbentang sehingga pecah. Pengiraan telah menunjukkan bahawa dalam model ini, duri hanya menembusi cangkang (seperti landak – belon), puncak mereka harus lebih tajam, dengan radius kira-kira 1 nm.

Rajah. 3 Hipotesis yang menjelaskan bagaimana ubah bentuk dan pemusnahan cangkang bakteria pada sayap cicada yang ditutup dengan bebola mikro dengan puncak bulat (persekitaran akuatik tidak ditunjukkan) berlaku. Hijau bahagian membran bakteria yang mematuhi duri ditunjukkan, dan oren – plot dalam jarak antara duri. Pertumbuhan kawasan sentuhan menyebabkan pecah cangkang antara duri (gambar bawah). Gambar dari artikel yang dibincangkan Pogodin et al., 2013

Tingkah laku sistem ini ditentukan oleh kekuatan interaksi pelekat, geometri duri, serta kekuatan dan kelenturan dinding bakteria.(Perhatikan bahawa model mengabaikan interaksi kedua-dua permukaan dengan cecair di sekitarnya, yang boleh menjadi kelemahan yang serius.) Fleksibiliti dinding bergantung kepada tekanan intraselular, iaitu turgor: semakin tinggi, semakin kuat cengkaman menentang ubah bentuk. Untuk menguji idea ini, penulis menyerap tiga jenis bakteria gram-positif dengan gelombang mikro – biasanya tahan kepada patung maut. Sebagai hasil daripada rawatan ini, membran membran menjadi telap selama beberapa waktu, yang mengakibatkan kehilangan separa turgor. Sesungguhnya, bakteria penyinaran kehilangan rintangan dan meninggal di atas karpet duri serta bentuk gram-negatif.

Jika kesan baru disahkan oleh pasukan penyelidikan bebas, maka permukaan buatan dengan mikroskoppture bakterisida pasti akan menemui pelbagai aplikasi, walaupun tugas asal para penyelidik – untuk melindungi permukaan dari pengotoran dengan biofilm mikrob – mereka tidak dapat menyelesaikannya. Sebaliknya, penulis melihat bahawa permukaan sayap lapisan cicada, lapisan oleh lapisan, ditutup dengan kulit kosong bakteria.

Kesimpulannya, adalah perlu diingati tentang cicadas menyanyi sendiri.Kemungkinan besar, sifat bakterisida yang dijelaskan permukaan sayap Psaltoda claripennis bukan penyesuaian biologi pelindung serangga ini. Pertama, penembusan mikrob patogen ke dalam serangga melalui membran sayap (sebenarnya filem organik mati yang tidak memberi akses kepada rongga badan dan tisu hidup) hampir mustahil. Kedua, cicadas menyanyi dewasa adalah serangga daratan yang mengandungi sayap mereka dalam kekeringan. Kajian baru-baru ini (lihat: Sun et al., 2012). Pengaruh Nanostructures Kutikula pada Kelakuan Pembasahan / Negeri di Cicada Wings) menunjukkan bahawa hanya patung duri mikroskopik yang menjadikan sayap menyanyi cicadas sangat menyeramkan air ("kesan teratai"). Ia harus diandaikan bahawa penulis itu bertuah untuk mencari struktur ini aplikasi yang berguna di luar konteks biologi di mana ia berasal dan wujud dalam alam semula jadi.

Sumber:
1) Elena P. Ivanova, Jafar Hasan, Hayden K. Webb, Khanh Truong, Gregory S. Watson, Jolanta A. Watson, Vladimir A. Baulin, Sergey Pogodin, James Y. Wang, Mark J. Tobin, Christian Löbbe, Russell J. Crawford. Permukaan bakteria semula jadi: pecah mekanikal Pseudomonas aeruginosa sel oleh sayap cicada Kecil. 2012. V. 8 (16). P. 2489-94. Doi: 10.1002 / smll.201200528.
2) Jafar Hasan, Hayden K. Webb, Vi Khanh Truong, Sergey Pogodin, Vladimir A. Baulin, Gregory S. Watson, Jolanta A. Watson, Russell J. Crawford, Elena P. Ivanova. Aktiviti bakterisida terpilih cicada superhydrophobic nanopattern Psaltoda claripennis permukaan sayap // Mikrobiologi dan bioteknologi yang digunakan. 2012. Doi: 10.1007 / s00253-012-4628-5.
3) Sergey Pogodin, Jafar Hasan, Vladimir A. Baulin, Hayden K. Webb, Vi Khanh Truong, Hong Phong Nguyen, Veselin Boshkovikj, Christopher J. Fluke, Gregory S. Watson, Jolanta A. Watson, Russell J. Crawford dan Elena P. Ivanova. Model biofisik interaksi sel bakteria dengan permukaan sayap nanopatterned nanas Jurnal biopisikal. 2013. V. 104 (4). P. 835-40. Doi: 10.1016 / j.bpj.2012.12.046.

Roman Rakitov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: