蜻蜓翅膀可以天然殺菌!納米柱介導細菌包膜變形與滲透過程

蜻蜓翅膀可以天然殺菌!納米柱介導細菌包膜變形與滲透過程

科學傢們已經確定,蟬和蜻蜓等昆蟲的翅膀具有抗菌特性,因為這些昆蟲的翅膀上具有納米柱細菌一旦接觸到就會死亡,然而,納米柱的抗菌原理尚且不為人知

2020年4月2日,Nature 子刊 Nature Communications 雜志在線發表瞭來自英國佈裡斯托大學的一篇題為:Antibacterial effects of nanopillar surfaces are mediated by cell impedance, penetration and induction of oxidative stress 的研究論文。

在高分辨率的掃描顯微鏡下,研究人員發現,蜻蜓翅膀的抗菌機理來自於表面納米柱對細菌的包膜變形滲透過程

蜻蜓翅膀可以天然殺菌!納米柱介導細菌包膜變形與滲透過程

蜻蜓翅膀可以殺菌

除蟬外,蜻蜓翅膀也已被證明具備有效的殺菌性能。研究人員發現,一種名為Diplacodes bipunctata的澳大利亞紅色蜻蜓的翅膀能夠同時殺死革蘭氏陰性菌以及革蘭氏陽性菌,其翅膀上的納米柱會增強細胞壁的應力,甚至使之變形,從而形成殺菌效果。

革蘭氏陽性菌革蘭氏陰性菌是利用革蘭氏染色法來鑒別的兩大類細菌。大多數化膿性球菌都屬於革蘭氏陽性菌,它們能產生外毒素使人致病,而大多數腸道菌多屬於革蘭氏陰性菌,它們產生內毒素,靠內毒素使人致病。

為瞭保證手術植入物的抗菌性,醫生們會將這些植入物提前浸入抗生素中,然而,鑒於蟬和蜻蜓翅膀具有獨特的殺菌性能,科學傢們想要利用這種性質設計出具有抗菌效果的植入物材料,從而有效解決臨床上的細菌感染問題。

二氧化鈦納米柱與蜻蜓翅膀

為瞭更好地理解和驗證納米柱的抗菌機制,科研團隊使用電子斷層掃描技術對納米柱殺菌過程進行3D重建,隨後,又通過蛋白質組學分析深入瞭解納米柱表面的分子變化,另外,使用細菌生存力測定法來定量測量金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和肺炎克雷伯菌在二氧化鈦納米柱表面的生存力。註:鈦合金納米柱多被用於整形外科的植入物。

在850°C下氧化5分鐘後,如下圖所示,二氧化鈦表面的納米形貌與在蜻蜓翅膀上的非常相似。下圖a為二氧化鈦納米柱的俯視圖,b為斜視圖。

蜻蜓翅膀可以天然殺菌!納米柱介導細菌包膜變形與滲透過程

包膜變形與滲透過程

在高分辨率的掃描顯微鏡(SEM)下,研究人員觀察到二氧化鈦納米柱上的金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和肺炎克雷伯菌都出現瞭包膜變形現象,其中,“包膜變形”被定義為:納米柱以接觸方式壓入或改變細菌包膜的表面形態的過程。如下圖所示,白色箭頭所指即為包膜變形區域。

蜻蜓翅膀可以天然殺菌!納米柱介導細菌包膜變形與滲透過程

隨後,研究人員使用透射電子顯微鏡(TEM)發現,納米柱上的金黃色葡萄球菌、大腸桿菌出現瞭包膜變形和包膜滲透現象,對於肺炎克雷伯菌,納米柱在11%的細胞中誘導瞭包膜變形,同時滲透瞭8%的細胞。類似的,“包膜滲透“被定義為納米柱穿透細菌包膜的能力,該過程破壞細胞質與細胞外環境之間的屏障。如下圖所示,白色箭頭所指即為包膜滲透處。

蜻蜓翅膀可以天然殺菌!納米柱介導細菌包膜變形與滲透過程

制造抗菌植入物

歷史研究認為,翅膀表面的納米柱可以刺穿細菌細胞,導致細胞的機械裂解,從而達到抗菌的效果。

然而,本研究卻提出瞭反駁,經過觀察與分析,科學傢們認為納米柱的抗菌原理實際上受到多因素影響,其中關鍵的兩個過程為包膜變形與細胞滲透,它們分別由物理阻抗的累積效應和氧化應激所誘導。

最後,作者指出,“在瞭解納米柱破壞細菌的機制後,下一步是將這一知識應用於設計和制造具備抗菌性能的臨床納米植入物之中。”

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15471-x

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