Cicadevleugels doden bacteriën

Bij antibacterieel denken we al gauw aan chemische bestrijding met middelen als zeep en alcohol. De Australische cicadesoort  (Psaltoda claripennis) gooit het over een andere boeg; hij bestrijdt bacteriën met behulp van nanotechnologie. De vleugels van de cicade zijn bedekt met een antibacteriële nanostructuur.

In de natuur zijn diverse voorbeelden van vernuftige oppervlaktestructuren met bijzondere eigenschappen. De nanostructuur van lotusbloemblaadjes maakt deze waterafstotend, de microscopische groefjes in de tenen van een gekko vergoten het contactoppervlak  waardoor deze over de muur kan lopen en sommige insecten bezitten een anti-reflectie laag zodat ze minder zichtbaar zijn voor roofdieren.
Nu kan ook de cicadesoort  Psaltoda claripennis aan dat rijtje toegevoegd worden. Professor Elena Ivanova en haar onderzoeksteam aan de Australische Swinburne University of Technology presenteerden afgelopen maand een gedetailleerd model van een bacteriedodende nanostructuur op de vleugels van de Australische cicadesoort in het Biophysical Journal.

Als de rek eruit is

Vaak wordt bij antibacteriële werking gedacht aan oppervlakken die bacteriën afstoten of aanhechting voorkomen. Het team ontdekte dat de cicadevleugels daarentegen niet effectief waren in het afstoten van de bacteriën. Sterker nog ze bleken eerder de celwand van de bacterie aan te trekken om deze vervolgens te scheuren.

De vleugels van de cicade zijn zowel aan de boven- als onderzijde bedekt  met  ‘nanopilaren’,  stompe punten vele malen kleiner dan een bacterie.  Als een bacterie op de vleugel komt blijft deze ‘plakken’, adsorbeert, aan het oppervlak van de nanopilaren en wordt vervolgens uitgerekt in de spleten tussen de pilaren. Als het membraan van de bacterie zwak genoeg is scheurt het als gevolg hiervan. “Het is vergelijkbaar met het oprekken van een stuk latex, eerst rekt het op en dan wordt het in het midden dunner tot het uiteindelijk scheurt.” Zo legt hoofdauteur Elena Ivanova  uit in een reactie naar Nature.

Om het model te testen bestraalde Ivanova en haar team de bacteriën met microgolfstraling. Dit zorg ervoor dat de turgor, de druk binnen de bacterie,  afneemt.  Vergelijkbaar met een waterballon die iets is leeggelopen is de bacterie makkelijker te vervormen en daardoor gevoeliger voor het effect van de nanopilaren.  De theorie dat steviger, meer rigide, bacteriën minder snel kapot zouden gaan tussen de nanopilaren  werd hiermee bevestigd. Dit betekent echter ook dat de verdediging van de cicade zich in eerste instantie beperkt tot bacteriën met een zwak membraan.  Bepaalde soorten bacteriën, gram positieve bacteriën, zijn door hun stevige celwand stijver en daardoor beter bestand tegen de effecten van de nanopilaren. Het onderzoek toont  tevens aan dat microgolfstraling  deze bacteriën gevoeliger kan maken voor de effecten van de nanopilaren.

Hier is een driedimensionale simulatie op schaal te zien van een bacterie die in aanraking komt met de nanopilaren op het oppervlak van de vleugels. Te zien is hoe een deel van de bacterie zich hecht aan de pilaren terwijl het andere deel, dat zich daartussen bevindt,  wordt uitgerekt  tot uiteindelijk het celmembraan scheurt en de bacterie kapot gaat.

zelfreiniging

Het zelfreinigend vermogen is een belangrijke eigenschap van bio-oppervlakken waarmee een organisme zich beschermt tegen contaminatie door bepaalde deeltjes zoals stof, sporen of bacteriën.  In de meeste gevallen berust dit op het hydrofobe, waterafstotende, karakter van het oppervlak. De vleugels van de cicade vormen een nieuw soort klasse biomaterialen die bacteriën effectief kunnen doden puur op basis van hun structuur, een verschijnsel dat nog niet eerder was gedocumenteerd in de natuur. Verder onderzoek is nodig om te bepalen of dit mechanisme kan worden toegepast  bij de productie van synthetische producten, om bijvoorbeeld zelfreinigende leuningen of deurknoppen te ontwikkelen.

Bronnen:

Pogodin, S.  e.a.,  Biophysical Model of Bacterial Cell Interactions with Nanopatterned Cicada Wing Surfaces. Biophys J. 2013 Feb 19;104(4):835-40. doi: 10.1016/j.bpj.2012.12.046.