Superpoderes antibacterianos: Cientistas investigam como as asas das cigarras repelem microrganismos que podem ser letais

As asas das cigarras podem matar e eliminar bactérias, e agora os investigadores utilizaram simulações para estudar as funções das pontas pontiagudas na sua superfície, com algumas descobertas surpreendentes.

A compreensão deste processo natural poderá resolver um importante desafio no domínio dos cuidados de saúde. Os dispositivos médicos, como os cateteres, permitem a colonização microbiana e a formação de biofilmes ao fornecerem uma superfície à qual as bactérias se agarram, pelo que os cientistas estão a desenvolver superfícies bactericidas mais eficazes.

Os investigadores já tinham estudado as características químicas e físicas das asas das cigarras e das libélulas, mas ainda há muito por esclarecer sobre as suas propriedades antibacterianas, nomeadamente a forma como removem os vestígios das suas vítimas bacterianas.

“Neste momento, sabemos que a asa da cigarra pode impedir a adesão de bactérias, mas o mecanismo não é claro”, diz Tadanori Koga, engenheiro químico da Universidade de Stony Brook, em Nova Iorque, e um dos autores do estudo divulgado este ano na ‘ACS Applied Materials & Interfaces‘.

Maya Endoh, professora e investigadora em Stony Brook e coautora do artigo, e Tadanori Koga, professor associado da Stony Brook, decidiram investigar as asas das cigarras depois de se terem inspirado num artigo de investigação de 2012 publicado na revista Small que descrevia em pormenor a capacidade das asas para perfurarem as células bacterianas com resultados letais. Como investigadores na área da ciência dos materiais poliméricos, Endoh e Koga procuraram reproduzir os nanopilares das asas (estruturas microscópicas semelhantes a ‘espigões’) através de uma automontagem dirigida.

“A asa da cigarra tem uma estrutura de pilares muito boa, por isso decidimos utilizá-la. Mas também queríamos otimizar a estrutura”, disse Koga, citada em comunicado divulgado no site do Oak Ridge National Laboratory.”Neste momento, sabemos que a asa da cigarra pode impedir a adesão de bactérias, mas o mecanismo não é claro. Por isso, queríamos controlar o tamanho e a altura do pilar e o espaçamento entre os pilares. E depois queríamos ver que parâmetro geométrico é crucial para matar as bactérias. É essa a ideia deste projeto”.

Daniel Salatto, investigador convidado do Laboratório Nacional de Brookhaven, foi encarregue de construir  as superfícies nano estruturadas e de realizar experiências com elas. Para imitar a asa de uma cigarra, utilizou um polímero muito utilizado em embalagens.

“A nossa abordagem original para tornar os pilares bactericidas é muito simples – o polímero dibloco pode tecnicamente criar a nanoestrutura por si só, desde que controlemos o ambiente”, disse Endoh. “Além disso, não precisamos de ter um tipo específico de polímero. Foi por isso que começámos com poliestireno – o poliestireno existe em todo o lado na nossa vida quotidiana. E apesar de utilizarmos um polímero comum, podemos ter a mesma propriedade ou uma propriedade semelhante à propriedade bactericida da coluna da asa da cigarra”, acrescentou.

Salatto testou a eficácia das nanosuperfícies contra as bactérias incubando-as em caldos. Uma vez extraídas, as amostras foram examinadas por microscopia fluorescente e por dispersão de raios X de pequeno ângulo de incidência no National Synchrotron Light Source II do Laboratório de Brookhaven para determinar o que tinha acontecido às bactérias. As nanosuperfícies não só mataram as bactérias que as tocaram, como também não acumularam bactérias mortas ou detritos nas superfícies.

“Sabe-se que, por vezes, quando as células bacterianas morrem e são absorvidas pelas superfícies, os seus detritos permanecem na superfície e, por conseguinte, criam um ambiente mais propício para que as suas irmãs entrem e sejam absorvidas por cima delas”, disse Salatto. “É aí que vemos muitos materiais biomédicos falharem, porque não há nada que trate os detritos e que funcione bem sem utilizar produtos químicos que podem ser mais ou menos tóxicos para os ambientes circundantes”, acrescentou.

Mas como é que os pilares da nanosuperfície eliminam efetivamente as bactérias?

“Os resultados da simulação demonstraram que, quando existe uma forte interação entre a bactéria e o substrato da nanosuperfície, as cabeças lipídicas são fortemente absorvidas pelas superfícies hidrofílicas dos pilares e conformam a forma da membrana com a estrutura ou curvatura dos pilares”, explica Jan-Michael Carrillo, um investigador do Centro de Ciências dos Materiais em Nanofase do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia.

“Uma interação atrativa mais forte encoraja ainda mais a fixação adicional da membrana às superfícies dos pilares. As simulações sugerem que a rutura da membrana ocorre quando os pilares geram tensão suficiente dentro da bicamada lipídica fixada nas bordas dos pilares”, acrescentou.

Esta descoberta foi uma surpresa para a equipa de Stony Brook, que esperava que imitar de perto o desenho original da natureza proporcionasse os melhores resultados. Mas as amostras com melhor desempenho não tinham a mesma estrutura ou altura que os nanopilares da asa da cigarra.

A equipa continuará a utilizar simulações para desenvolver uma imagem mais completa dos mecanismos em jogo, em particular a funcionalidade de auto-limpeza, antes de aplicar a nanosuperfície a dispositivos biomédicos.

Já Jan-Michael Carrillo, prosseguirá os seus próprios estudos, mantendo-se disponível para ajudar outros investigadores em nanociências.