Asas de cigarra: nanopilares que matam e removem bactérias revelados por simulações

As asas de cigarra conseguem matar bactérias e, além disso, remover os vestígios que estas deixam - e, agora, uma equipa de investigadores recorreu a simulações para perceber o papel de espigões rombos na sua superfície, com resultados inesperados.

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

Embora já tenham sido analisadas as características químicas e físicas das asas de cigarras e libélulas, continua a haver muitas dúvidas sobre o que explica as suas propriedades antibacterianas - incluindo a forma como eliminam os rastos das bactérias que matam.

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

Nanopilares nas asas de cigarra e a inspiração para novas superfícies

Depois de ler um estudo de 2012 que descrevia como as asas de cigarra perfuram letalmente células bacterianas, Koga e a física de polímeros da Universidade de Stony Brook, Maya Endoh, decidiram reproduzir e investigar os nanopilares dessas asas.

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

Para imitar a asa de um destes insectos, o cientista de materiais Daniel Salatto, também da Universidade de Stony Brook, utilizou um polímero comummente usado em embalagens para criar, sobre uma base de silício, microestruturas em forma de pilares.

"O polímero dibloco, tecnicamente, consegue criar a nanoestrutura por si só desde que controlemos o ambiente", explica Endoh. "Mesmo usando um polímero comum, conseguimos obter a mesma ou uma propriedade semelhante à que a coluna da asa de cigarra mostra na sua capacidade bactericida."

Sabe-se que as asas de cigarra têm nanopilares com cerca de 150 nanómetros (nm) de altura e espaçados à mesma distância, mas a equipa experimentou dimensões diferentes para perceber como isso alterava o processo.

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

Resultados laboratoriais: matar E. coli e evitar acumulação de detritos

Nos testes em laboratório, observaram que superfícies com nanopilares extremamente pequenos - cerca de 10 nm de altura, 50 nm de largura e 70 nm de distância entre si - foram muito eficazes a matar a bactéria Escherichia coli e, ao mesmo tempo, a libertá-la durante pelo menos 36 horas, sem que ficassem bactérias mortas acumuladas nem detritos retidos nas superfícies.

"Sabe-se que, por vezes, quando as células bacterianas morrem e ficam absorvidas às superfícies, os seus detritos permanecem na superfície e, assim, tornam-na num ambiente mais propício para que outras do mesmo tipo venham e se absorvam por cima", explica Salatto.

"É aqui que vemos muitos materiais biomédicos falharem, porque não há nada que trate bem os detritos sem recorrer a químicos que, em maior ou menor grau, podem ser tóxicos para os ambientes circundantes."

Ainda assim, permanecia por esclarecer como é que os nanopilares conseguem cumprir a dupla função de matar e remover as bactérias da superfície das asas.

Simulações de dinâmica molecular e o mecanismo de ruptura e desprendimento

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

Simulações de MD em grande escala, com cerca de um milhão de partículas, indicaram que, quando as bactérias entram em contacto com a superfície com pilares, a sua camada externa lipídica (membrana) interage fortemente com os nanopilares.

"As cabeças lipídicas absorvem-se fortemente nas superfícies hidrofílicas dos pilares e conformam a forma da membrana à estrutura ou curvatura dos pilares", explica 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 dentro da bicamada lipídica, presa nas arestas dos pilares."

Depois da ruptura, a membrana continua sob esforço e a tensão vai aumentando até que a bactéria se desprende dos pilares, o que acaba por limpar a superfície.

Revestimento com TiO₂ e desempenho contra bactérias Gram-positivas

Quando foi adicionada aos pilares uma camada fina de óxido de titânio (TiO₂), as propriedades de matar e libertar bactérias melhoraram ainda mais; além disso, o sistema também se mostrou eficaz contra uma bactéria Gram-positiva chamada Listeria monocytogenes.

As bactérias Gram-positivas têm uma camada externa menos "elástica"; por isso, o esforço concentra-se mais nos pontos onde se fixam aos pilares, levando-as a romper com facilidade. No entanto, sem TiO₂, as suas células não pareciam ter atracção suficiente pelos pilares.

Alguns dos mecanismos ainda precisam de ser clarificados, mas surpreendeu os investigadores o facto de a solução mais eficiente não ter passado por copiar, de forma directa, o desenho da natureza.

"Não é como pensávamos", diz Endoh. "Mesmo sendo baixa a altura dos nanopilares, as bactérias continuaram a morrer automaticamente. Além disso, inesperadamente, não vimos qualquer absorção na superfície, por isso é autolimpante.

"Pensava-se que isto se devia ao insecto mexer as asas para sacudir os detritos. Mas, com a nossa metodologia e estruturas, provamos que elas simplesmente matam e limpam naturalmente por si próprias."

A equipa planeia realizar mais simulações para revelar outros mecanismos - em especial a função autolimpante - com o objectivo de melhorar revestimentos antibacterianos para uso no campo médico.

A investigação foi publicada na ACS Materiais Aplicados & Interfaces.