Asas de cigarra: nanopilares matam e removem bactérias, mostram simulações

As asas de cigarra conseguem matar bactérias e ainda “se livrar” delas; agora, cientistas recorreram a simulações para investigar o papel de pequenas saliências rombudas na superfície dessas asas - e os resultados trouxeram algumas surpresas.

Compreender esse fenómeno natural pode ajudar a enfrentar um problema importante na saúde. Dispositivos médicos como cateteres favorecem a colonização microbiana e a formação de biofilmes ao oferecerem uma superfície onde as bactérias se prendem; por isso, investigadores procuram superfícies bactericidas mais eficazes.

Pesquisas anteriores já analisaram características químicas e físicas das asas de cigarras e libélulas, mas ainda há muitas lacunas sobre como, exatamente, elas exercem ação antibacteriana - incluindo de que forma 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 é claro", diz Tadanori Koga, engenheiro químico da Stony Brook University, em Nova Iorque.

Replicando os nanopilares das asas de cigarra

Depois de ler um estudo de 2012 que descrevia como asas de cigarra perfuram de forma letal células bacterianas, Koga e Maya Endoh, física de polímeros também da Stony Brook University, decidiram reproduzir e investigar os nanopilares presentes nessas 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 criar microestruturas em forma de pilares sobre uma base de silício.

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

Nas asas de cigarra, os nanopilares têm cerca de 150 nanómetros (nm) de altura e ficam separados por aproximadamente a mesma distância; ainda assim, a equipa testou diferentes dimensões para entender como isso mudaria o processo.

"Achávamos que a altura seria importante para a nanoestrutura porque, no início, esperávamos que a altura dos pilares atuasse como uma agulha para perfurar a membrana das bactérias", explica Endoh.

Testes em laboratório: matar e remover E. coli

Nos ensaios laboratoriais, o grupo observou que superfícies com nanopilares extremamente pequenos - por volta de 10 nm de altura, 50 nm de largura e 70 nm de espaçamento - foram muito eficazes em matar bactérias Escherichia coli e também em libertá-las da superfície por pelo menos 36 horas. O resultado foi uma superfície sem acumulação de bactérias mortas ou detritos.

"Sabe-se que, às vezes, quando células bacterianas morrem e aderem às superfícies, os seus detritos ficam ali e, portanto, tornam o ambiente melhor para as suas semelhantes chegarem e aderirem por cima delas", explica Salatto.

"É aí que vemos muitos materiais biomédicos falharem, porque não há nada que lide bem com os detritos sem usar químicos que, em maior ou menor grau, podem ser tóxicos para os ambientes ao redor."

Apesar disso, ainda não estava claro como os nanopilares conseguiam executar as duas tarefas ao mesmo tempo: matar e remover bactérias da superfície.

O que as simulações de dinâmica molecular revelaram

Para entender o funcionamento dessas superfícies, os investigadores pediram 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 grande escala, com cerca de um milhão de partículas, mostraram que, quando as bactérias entram em contacto com a superfície com pilares, a sua camada externa lipídica (a membrana) interage fortemente com os nanopilares.

"As cabeças lipídicas absorvem-se fortemente nas superfícies hidrofílicas dos pilares e conformam o formato da membrana à estrutura ou à curvatura dos pilares", explica Carrillo.

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

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

Revestimento com TiO₂ e ação contra Listeria

Quando os pilares receberam uma camada fina de óxido de titânio (TiO₂), o desempenho de matar e libertar bactérias ficou ainda melhor. Além disso, a solução também funcionou contra uma bactéria Gram-positiva chamada Listeria monocytogenes.

Bactérias Gram-positivas têm uma camada externa menos “elástica”, e a tensão tende a concentrar-se mais nos pontos em que elas se prendem aos pilares, facilitando a rutura. Porém, sem TiO₂, as células não pareciam ter atração suficientemente forte pelos pilares.

Alguns mecanismos ainda precisam de esclarecimento, mas os cientistas acharam surpreendente que o método mais eficiente não tenha sido uma simples cópia do desenho natural.

"Não é do jeito que pensávamos", diz Endoh. "Mesmo com nanopilares de altura baixa, as bactérias ainda morriam automaticamente. Além disso, inesperadamente, não vimos qualquer absorção na superfície, então ela é autolimpante.

"Acreditava-se que isso acontecia por causa do inseto mover as asas para sacudir os detritos. Mas, com a nossa metodologia e as nossas estruturas, provamos que elas simplesmente matam e limpam naturalmente por si mesmas."

A equipa pretende usar novas simulações para revelar outros mecanismos, sobretudo a função autolimpante, com o objetivo final de melhorar revestimentos antibacterianos para aplicação na área médica.

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