Ao imitar asas de cigarra, cientistas estão investigando novas maneiras de manter os pacientes seguros

Os gritos das cigarras ecoam no ar quente e seus exoesqueletos descartados decoram galhos de árvores no sudeste e centro-oeste dos Estados Unidos no auge do verão. Embora sua capacidade de emergir em grandes números seja espantosa, elas também têm outras características surpreendentes. Na verdade, suas asas matam bactérias em contato e são autolimpantes.

Pesquisadores usando as instalações de usuários do Oak Ridge National Laboratory e do Brookhaven National Laboratory do Departamento de Energia (DOE) investigaram esse fenômeno bizarro. Eles aprenderam como as estruturas nas células são capazes de realizar tal feito e como isso poderia ser usado em aplicações médicas.

De insetos a aplicações biomédicas

Durante anos, pesquisadores sabiam que as asas da cigarra tinham propriedades únicas, incluindo a eliminação de água e detritos. Em 2012, pesquisadores na Austrália descobriram que as células também matavam bactérias. Eles demonstraram isso com um tipo de bactéria que é particularmente resistente a antibióticos.

Para os microbiologistas, esse foi um intrigante golpe duplo. Dispositivos médicos são rotineiramente esterilizados com antibióticos químicos que matam bactérias. Mas eles não conseguem limpar as células mortas das superfícies.

Infelizmente, bactérias mortas e outros resíduos biológicos tornam a superfície perigosamente atraente para ainda mais bactérias. Por exemplo, cerca de metade das infecções bacterianas no sangue em instalações de cuidados de saúde de longo prazo são de infecções do trato urinário causadas por resíduos biológicos em cateteres. Uma tecnologia que pode matar e limpar micróbios pode ser uma virada de jogo.

Construindo e testando os pilares

Antes de poder imitar algo na natureza, você precisa saber como isso funciona. Os pesquisadores australianos descobriram que o processo envolvia pequenas estruturas nas asas chamadas nanopilares. Esses são cilindros que são ligeiramente mais altos e mais largos do que um milésimo da largura de um fio de cabelo humano. No entanto, o processo permaneceu desconhecido.

Foi aí que os cientistas da Universidade Stony Brook entraram. Cerca de uma década depois, eles investigaram como replicar essas nanoestruturas e suas funções fora das cigarras.

Primeiro, eles precisavam recriar as estruturas. Polímeros — materiais feitos de cadeias de blocos de construção repetidos — são ideais para criar estruturas minúsculas. Eles também compõem os plásticos ao nosso redor. Em parte por causa de sua ubiquidade, os pesquisadores escolheram o poliestireno — também conhecido como isopor.

Para criar as estruturas minúsculas, os cientistas usaram uma técnica de nanociência chamada automontagem dirigida. Além de seu próprio laboratório, os cientistas usaram as ferramentas do Center for Functional Nanomaterials, uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Brookhaven National Laboratory.

Essa técnica pode criar padrões densos e consistentes no nível nanoescalar. Com esse processo, os cientistas criam o ambiente certo para um certo tipo de polímero se organizar em padrões. Para analisar os padrões, os cientistas aproveitaram os recursos da instalação do usuário National Synchrotron Light Source II, também no Brookhaven National Laboratory.

O resultado? Cilindros minúsculos e atarracados que ficavam perpendiculares à superfície em que foram cultivados. Em alguns dos pilares, os cientistas também adicionaram um revestimento de óxido de titânio. Esse material interage com bactérias mais do que o poliestireno.

Então veio a grande questão — as estruturas sintéticas destroem bactérias tão bem quanto as naturais? Para descobrir, os pesquisadores embeberam as estruturas em um “caldo” microbiano desagradável por 36 horas. Nem preciso dizer que esse caldo não era comestível. Um líquido estava cheio de E. coli, enquanto o outro estava cheio de Listeria monocytogenes — ambos podem causar doenças graves.

O teste foi um sucesso! Agindo como assassinos e equipe de limpeza, os nanopilares mataram e eliminaram as bactérias. Em contraste, as superfícies planas feitas dos mesmos materiais não o fizeram. A única diferença foi que as estruturas que tinham um revestimento eram mais eficazes do que aquelas sem um. Enquanto os pilares somente de poliestireno efetivamente mataram E. coli, eles não conseguiram lidar com a listeria. Em contraste, os pilares revestidos mataram e limparam ambos.

Analisando o processo

Mas a questão permaneceu sobre o porquê de os pilares se comportarem da maneira que se comportam, sejam eles naturais ou sintéticos. Os cientistas levantaram a hipótese de que talvez os pilares perfurassem a membrana da parede celular da bactéria.

Para descobrir, os cientistas precisavam de expertise e acesso a ferramentas que pudessem executar simulações de dinâmica molecular de larga escala e alta resolução. Especialistas do Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos do Office of Science no Oak Ridge National Laboratory do DOE se apresentaram.

Eles auxiliaram a equipe a executar simulações no que era na época o supercomputador mais poderoso do mundo, o Summit, no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF). (Ele já foi superado pelo Frontier do próprio OLCF, entre outros computadores.) O Summit pode criar simulações de sistemas incrivelmente complexos. Simular como parte da membrana da célula interagia com pilares representativos envolvia simular mais de um milhão de partículas!

O que voltou das simulações surpreendeu os cientistas. Os nanopilares não estavam perfurando as membranas celulares! Na verdade, foi um processo completamente diferente do esperado.

Na realidade, o processo depende muito da estrutura das membranas celulares. As membranas celulares são feitas de duas camadas de lipídios (gorduras, óleos e moléculas semelhantes). Quando a membrana celular da bactéria toca o nanopilar, a cabeça do lipídio se fixa ao pilar. Conforme ele desce pelo pilar, ele puxa o resto da membrana junto com ele. Conforme ele cobre todo o pilar, a membrana se estica mais e mais — como um balão. Eventualmente, o estresse é muito grande e a membrana se estilhaça.

Outra surpresa foi que, embora os nanopilares dos cientistas tivessem uma altura diferente dos naturais, eles eram, na verdade, mais eficazes. Saber disso permitirá que os cientistas decidam a altura ideal.

Agora, a equipe está examinando problemas que podem surgir em aplicações médicas. Estudar asas de insetos pode parecer uma pesquisa que não poderia ser aplicada à vida cotidiana dos humanos. Mas com o suporte dos recursos e da experiência do DOE, um dia, pacientes médicos podem se beneficiar das maravilhosas propriedades antibacterianas das cigarras.