Au cours de la dernière décennie, des équipes d’ingénieurs, de chimistes et de biologistes ont analysé les propriétés physiques et chimiques des ailes des cigales, dans l’espoir de percer le secret de leur capacité à tuer les microbes au contact. Si cette fonction de la nature peut être reproduite par la science, cela pourrait conduire au développement de nouveaux produits dotés de surfaces intrinsèquement antibactériennes qui seraient plus efficaces que les traitements chimiques actuels.
Lorsque des chercheurs du département de science des matériaux et de génie chimique de l'université de Stony Brook ont développé une technique simple pour reproduire la nanostructure de l'aile de la cigale, il leur manquait encore une information clé :comment les nanopiliers à sa surface éliminent-ils réellement les bactéries ? Heureusement, ils savaient exactement qui pourrait les aider à trouver la réponse :Jan-Michael Carrillo, chercheur au Centre pour les sciences des matériaux nanophasés du Laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie.
Pour les chercheurs en nanosciences qui recherchent des comparaisons informatiques et des informations pour leurs expériences, Carrillo propose un service unique :des simulations de dynamique moléculaire (MD) à grande échelle et haute résolution sur le supercalculateur Summit de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility de l'ORNL.
"Nous avons immédiatement contacté Jan-Michael et lui avons exprimé notre intérêt et notre motivation pour la possibilité d'une simulation. Même si nous savons comment fonctionne une simulation MD, c'est un processus compliqué et nous n'avons tout simplement pas beaucoup d'expérience dans ce domaine", a déclaré Maya Endoh. , professeur-chercheur à Stony Brook et co-auteur de l'article de l'équipe, publié plus tôt cette année dans ACS Applied Materials &Interfaces. .
Obtenir du temps de calcul sur Summit n'est bien sûr pas aussi simple que de passer un appel téléphonique :les chercheurs en nanosciences doivent postuler pour recevoir de tels travaux de simulation au CNMS, et leurs projets sont soumis à un examen par les pairs dans le cadre du processus de candidature. Mais ce n'est pas le seul service proposé par Carrillo. En plus d'accéder à l'équipement de pointe du CNMS pour la recherche en nanosciences, il est également dans une position unique pour aider à demander du temps de faisceau de neutrons à la source de neutrons de spallation de l'ORNL pour de futures expériences.
"Nos techniques de simulation des lipides MD ne sont pas uniques. Ce qui est unique, c'est que nous sommes en mesure d'exploiter les ressources de l'OLCF afin de pouvoir analyser de nombreux paramètres et créer des systèmes plus vastes", a déclaré Carrillo. "Ce qui est également intéressant, c'est le SNS d'ORNL :leurs techniques correspondent à l'échelle de temps des simulations MD. Nous prévoyons donc de comparer certains des résultats des simulations MD directement avec les résultats du SNS ainsi qu'avec les expériences ici dans le CNMS."
Endoh de Stony Brook et Tadanori Koga, professeur agrégé, ont décidé d'étudier les ailes de cigales après avoir été inspirés par un article de recherche de 2012 publié dans la revue Small. qui détaillaient leur capacité à percer les cellules bactériennes avec des résultats mortels. En tant que chercheurs en science des matériaux polymères, Endoh et Koga ont cherché à reproduire les nanopiliers des ailes avec un auto-assemblage dirigé.
L'auto-assemblage est un processus qui utilise des copolymères séquencés constitués de deux ou plusieurs homopolymères chimiquement distincts reliés par une liaison covalente. Les matériaux offrent un moyen simple et efficace de fabriquer des nanostructures périodiques denses et hautement ordonnées avec un contrôle facile de leurs paramètres géométriques sur des zones arbitrairement grandes. Par exemple, les nanopiliers sur les ailes d'une cigale ont généralement une hauteur et un espacement de 150 nanomètres, mais varier ces dimensions a donné des résultats intéressants.
"L'aile de la cigale a une très belle structure en piliers, c'est donc ce que nous avons décidé d'utiliser. Mais nous voulions également optimiser la structure", a déclaré Koga. "À l'heure actuelle, nous savons que l'aile de la cigale peut empêcher l'adhésion des bactéries, mais le mécanisme n'est pas clair. Nous avons donc voulu contrôler la taille et la hauteur du pilier ainsi que l'espacement entre les piliers. Et puis nous avons voulu voir quel paramètre géométrique est crucial pour tuer les bactéries ? C'est toute l'idée de ce projet."
Daniel Salatto, chercheur invité au Brookhaven National Laboratory, a été chargé de construire les nanosurfaces et de mener des expériences sur celles-ci. Pour imiter l'aile d'une cigale, il a utilisé un polymère largement utilisé dans les emballages, en particulier un copolymère dibloc polystyrène-bloc-poly(méthacrylate de méthyle).
"Notre approche originale pour rendre les piliers bactéricides est très simple :le polymère dibloc peut techniquement créer la nanostructure par lui-même tant que nous contrôlons l'environnement", a déclaré Endoh. "De plus, nous n'avons pas besoin d'un type spécifique de polymère. C'est pourquoi nous avons commencé avec le polystyrène :le polystyrène existe partout dans notre vie quotidienne. Et même si nous utilisons un polymère commun, nous pouvons avoir des propriétés identiques ou similaires à celles du polystyrène. La propriété bactéricide de la colonne d'aile de cigale montre."
Tester les résultats expérimentalement, virtuellement
Salatto a testé en laboratoire l'efficacité des nanosurfaces contre les bactéries en les incubant dans des bouillons d'Escherichia coli et de Listeria monocytogenes. Une fois extraits, les échantillons ont été examinés par microscopie fluorescente et diffusion de rayons X aux petits angles à incidence rasante à la source de lumière synchrotron nationale II du laboratoire Brookhaven pour déterminer ce qui était arrivé à la bactérie. Non seulement les nanosurfaces ont tué les bactéries qui les touchaient, mais elles n'ont pas non plus accumulé de bactéries mortes ou de débris sur les surfaces.
"On sait que parfois, lorsque les cellules bactériennes meurent et qu'elles absorbent sur les surfaces, leurs débris restent à la surface et créent donc un meilleur environnement pour que leurs frères puissent entrer et absorber par-dessus elles", a déclaré Salatto. "C'est là que de nombreux matériaux biomédicaux échouent, car il n'y a rien qui s'attaque aux débris qui fonctionne bien sans utiliser de produits chimiques qui pourraient plus ou moins être toxiques pour l'environnement."
Mais comment les piliers de la nanosurface ont-ils réussi à réaliser cette extermination bactérienne ? C'est là que les simulations de Carrillo fournissent quelques indices sur le mystère en montrant comment et où la membrane cellulaire de la bactérie s'est étirée et s'est effondrée au sein de la structure locale des piliers.
Pour le projet Stony Brook, Carrillo a exécuté une simulation MD composée d'environ un million de particules. L'ampleur du modèle était due aux multiples échelles de longueur étudiées, à la taille de la molécule lipidique et à la manière dont elle s'organise autour des piliers de la nanosurface, aux dimensions des piliers et aux échelles de longueur des fluctuations de la membrane.
"Les résultats de la simulation ont démontré que lorsqu'il y a une forte interaction entre la bactérie et le substrat nanosurface, les têtes lipidiques absorbent fortement sur les surfaces des piliers hydrophiles et adaptent la forme de la membrane à la structure ou à la courbure des piliers", a déclaré Carrillo. "Une interaction attractive plus forte encourage en outre une fixation supplémentaire de la membrane aux surfaces des piliers. Les simulations suggèrent que la rupture de la membrane se produit lorsque les piliers génèrent une tension suffisante au sein de la bicouche lipidique serrée aux bords des piliers."
Cette découverte a été une surprise pour l'équipe de Stony Brook, qui s'attendait à ce qu'imiter fidèlement la conception originale de la nature donnerait les meilleurs résultats. Mais leurs échantillons les plus performants n'avaient pas la même structure ni la même hauteur que les nanopiliers de l'aile de la cigale.
"Nous pensions que la hauteur serait importante pour la nanostructure car nous nous attendions à l'origine à ce que la hauteur des piliers agisse comme une aiguille pour percer la membrane de la bactérie. Mais ce n'est pas ce que nous pensions. Même si la hauteur des nanopiliers est courte, la les bactéries meurent toujours automatiquement", a déclaré Endoh. "De plus, de manière inattendue, nous n'avons constaté aucune absorption sur la surface, elle est donc autonettoyante. On pensait que cela était dû au fait que l'insecte bougeait ses ailes pour secouer les débris. Mais avec notre méthodologie et nos structures, nous prouvons que ils tuent et nettoient naturellement par eux-mêmes."
L'équipe continuera à utiliser des simulations pour développer une image plus complète des mécanismes en jeu, en particulier la fonctionnalité autonettoyante, avant d'appliquer la nanosurface aux dispositifs biomédicaux.
Quant à Carrillo, il poursuivra ses propres études sur les systèmes bicouches amphiphiles de type lipidique, tout en restant prêt à assister d'autres chercheurs en nanosciences qui pourraient avoir besoin de l'aide du CNMS, de l'OLCF ou du SNS.
Plus d'informations : Daniel Salatto et al, Conception basée sur la structure de nanosurfaces doubles bactéricides et libérant des bactéries, Matériaux et interfaces appliqués ACS (2023). DOI :10.1021/acsami.2c18121
Informations sur le journal : Matériaux et interfaces appliqués ACS , Petit
Fourni par le Laboratoire national d'Oak Ridge
