Descifrando los misterios del asesino de micróbios
En la última década, equipos de ingenieros, químicos y biólogos han analizado las propiedades físicas y químicas de las alas de las cigarras, con la esperanza de desvelar el secreto de su capacidad para eliminar microbios al contacto. Si esta función de la naturaleza puede ser replicada por la ciencia, podría dar lugar a productos con superficies inherentemente antibacterianas que sean más efectivas que los tratamientos químicos actuales.
Cuando los investigadores del Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Química de la Universidad de Stony Brook desarrollaron una técnica sencilla para duplicar la nanoestructura de las alas de la cigarra, aún les faltaba una pieza clave de información. ¿Cómo es que los nanopilares de su superficie realmente eliminan las bacterias? Afortunadamente, sabían exactamente quién podría ayudarles a encontrar la respuesta: Jan-Michael Carrillo, un investigador del Centro de Ciencias de Materiales a Escala Nanométrica del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU.
Para los investigadores de nanociencia que buscan comparaciones e ideas computacionales para sus experimentos, Carrillo proporciona un servicio único: simulaciones de dinámica molecular (MD) a gran escala y alta resolución en el supercomputador Summit del Oak Ridge Leadership Computing Facility en ORNL.
«Inmediatamente contactamos a Jan-Michael y expresamos nuestro interés y motivación en la posibilidad de una simulación. Aunque sabemos cómo funciona una simulación MD, es un proceso complicado y no tenemos mucha experiencia haciéndolas», dijo Maya Endoh, profesora de investigación en Stony Brook y coautora del artículo del equipo, que fue publicado a principios de este año en ACS Applied Materials & Interfaces.
Obtener tiempo de computación en Summit no es tan fácil como hacer una llamada telefónica, por supuesto: los investigadores de nanociencia deben presentar una solicitud para recibir este trabajo de simulación en el CNMS, y sus proyectos están sujetos a revisión por pares como parte del proceso de solicitud. Pero esa no es la única colaboración que facilita Carrillo. Además de acceder al equipo de última generación de CNMS para la investigación en nanociencia, también está en una posición única para ayudar a solicitar tiempo de haz de neutrones en la Fuente de Neutrones de Espalación de ORNL para experimentos futuros.
«Nuestras técnicas para simulaciones MD de lípidos no son únicas. Lo que es único es que podemos aprovechar los recursos de OLCF para poder explorar muchos parámetros y realizar sistemas más grandes», dijo Carrillo. «También es interesante el SNS de ORNL: sus técnicas coinciden con la escala de tiempo de las simulaciones MD. Así que planeamos comparar algunos de los resultados de las simulaciones MD directamente con los resultados en SNS, así como con los experimentos aquí en CNMS».
Replicando al Asesino de Microbios de la Naturaleza
Endoh y Tadanori Koga, profesor asociado, decidieron investigar las alas de las cigarras después de inspirarse en un artículo de investigación de 2012 publicado en la revista Small que detallaba su capacidad para perforar células bacterianas con resultados letales. Como investigadores en ciencia de materiales poliméricos, Endoh y Koga buscaron replicar los nanopilares de las alas mediante autoensamblaje dirigido.
El autoensamblaje es un proceso que utiliza copolímeros de bloque compuestos por dos o más homopolímeros químicamente distintos que están conectados por un enlace covalente. Los materiales ofrecen una ruta simple y efectiva para fabricar nanoestructuras periódicas densas y altamente ordenadas con un fácil control de sus parámetros geométricos en áreas arbitrariamente grandes. Por ejemplo, los nanopilares en las alas de una cigarra generalmente tienen una altura y espaciado de 150 nanómetros, pero variar esas dimensiones dio resultados interesantes.
«El ala de la cigarra tiene una estructura de pilares muy buena, así que eso es lo que decidimos utilizar. Pero también queríamos optimizar la estructura», dijo Koga. «En este momento, sabemos que el ala de la cigarra puede evitar la adherencia de bacterias, pero el mecanismo no está claro. Así que queríamos controlar el tamaño y la altura del pilar y el espaciado entre los pilares. Y luego queríamos ver qué parámetro geométrico es crucial para matar bacterias. Esa es toda la idea de este proyecto».
Daniel Salatto, investigador invitado en el Laboratorio Nacional Brookhaven, fue el encargado de construir las nanosuperficies y llevar a cabo experimentos con ellas. Para imitar el ala de una cigarra, utilizó un polímero ampliamente utilizado en embalaje, específicamente un copolímero dibloque de poliestireno-polimetacrilato de metilo.
«Nuestro enfoque original para hacer que los pilares fueran bactericidas es muy simple: el polímero dibloque técnicamente puede crear la nanoestructura por sí solo siempre y cuando controlemos el entorno», dijo Endoh. «Además, no necesitamos tener un tipo específico de polímero. Es por eso que empezamos con poliestireno, que existe en todas partes en nuestra vida diaria. Y aunque utilizamos un polímero común, podemos obtener la misma o una propiedad similar a la que muestra la propiedad bactericida de la columna del ala de la cigarra».
Resultados de Pruebas Experimentales y Virtuales
Salatto probó la eficacia de las nanosuperficies contra las bacterias incubándolas en caldos de Escherichia coli y Listeria monocytogenes. Una vez extraídas, las muestras se examinaron mediante microscopía fluorescente y Dispersión de Rayos X de Ángulo Pequeño por Incidencia Rasante en la Fuente de Luz del Sincrotrón Nacional NSLS-II de Brookhaven Lab para determinar qué había sucedido con las bacterias. No solo las nanosuperficies habían matado a las bacterias que las tocaron, sino que tampoco habían acumulado bacterias muertas o restos en las superficies.
«Se sabe que a veces cuando las células bacterianas mueren y se adhieren a las superficies, sus restos permanecerán en la superficie y, por lo tanto, crearán un ambiente mejor para que sus congéneres se adhieran sobre ellos», dijo Salatto. «Ahí es donde fallan muchos materiales biomédicos, porque no hay nada que elimine los restos de manera efectiva sin usar productos químicos que podrían ser tóxicos para el entorno circundante».
Pero, ¿cómo lograron los pilares de las nanosuperficies exterminar las bacterias? Aquí es donde las simulaciones de Carrillo proporcionan algunas pistas sobre el misterio, al mostrar cómo y dónde se estira y colapsa la membrana celular de las bacterias dentro de la estructura local de los pilares.
Para el proyecto de Stony Brook, Carrillo realizó una simulación MD que consistía en alrededor de un millón de partículas. La magnitud del modelo se debió a las múltiples escalas de longitud investigadas, el tamaño de la molécula de lípido y cómo se dispone alrededor de los pilares de la nanosuperficie, las dimensiones de los pilares y las escalas de longitud de las fluctuaciones de la membrana.
«Los resultados de la simulación demostraron que cuando hay una interacción fuerte entre la bacteria y el sustrato de la nanosuperficie, las cabezas de los lípidos se adhieren fuertemente a las superficies hidrofílicas de los pilares y conforman la forma de la membrana a la estructura o curvatura de los pilares», dijo Carrillo. «Una interacción atractiva más fuerte alienta aún más la adhesión de la membrana a las superficies de los pilares. Las simulaciones sugieren que la ruptura de la membrana ocurre cuando los pilares generan suficiente tensión dentro de la bicapa lipídica, que está sujeta a las orillas de los pilares».
Este hallazgo tomó por sorpresa al equipo de Stony Brook, que esperaba que imitar de cerca el diseño original de la naturaleza proporcionara los mejores resultados. Pero sus muestras con mejor rendimiento no tenían la misma estructura ni altura que los nanopilares del ala de la cigarra.
«Pensamos que la altura sería importante para la nanoestructura porque originalmente esperábamos que la altura de los pilares actuara como una aguja para perforar la membrana de las bacterias. Pero no es así como lo pensábamos. Aunque la altura de los nanopilares es corta, las bacterias todavía mueren automáticamente», dijo Endoh. «Además, inesperadamente, no vimos ninguna absorción en la superficie, así que es autolimpiante. Se pensaba que esto se debía a que el insecto mueve sus alas para sacudir los restos. Pero con nuestra metodología y estructuras, demostramos que simplemente matan y limpian naturalmente por sí mismos».
El equipo continuará utilizando simulaciones para desarrollar una imagen más completa de los mecanismos en juego, especialmente la funcionalidad de autolimpieza, antes de aplicar la nanosuperficie a dispositivos biomédicos.
En cuanto a Carrillo, continuará sus propios estudios de sistemas de bicapas lipídicas anfifílicas, al tiempo que estará listo para ayudar a otros investigadores de nanociencia que puedan necesitar la ayuda del CNMS, OLCF o SNS.
El CNMS, NSLS-II, OLCF y SNS son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. El CNMS integra la investigación científica a escala nanométrica con ciencia de neutrones, ciencia de síntesis y teoría/modelado/simulación. El NSLS-II permite a su creciente comunidad de investigación estudiar materiales con resolución nanométrica y una sensibilidad exquisita al proporcionar capacidades de vanguardia. El OLCF ofrece a la comunidad científica de la computación una capacidad de cálculo de clase mundial dedicada a la ciencia e ingeniería innovadoras. El SNS es una fuente de neutrones de espalación de próxima generación para la dispersión de neutrones.
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