Inspirados nas asas das cigarras, pesquisadores estudam as propriedades antimicrobianas dos insetos para desenvolver superfícies antibacterianas

Trilhões de cigarras periódicas — várias espécies do gênero Magicicada que surgem a cada 13 ou 17 anos — romperam o solo no leste dos EUA neste verão. Os meios de comunicação compararam o evento ao Armagedom, um apocalipse ou uma invasão. Mas e quanto ao uso de palavras como hipnotizante? Misterioso? Mágico?

O nome do gênero Magicicada se refere à magnitude das cigarras rastejando sincronicamente pela terra para alcançar a luz do sol. Este ano é especial para o estado de Illinois: tanto as cigarras de 13 anos da Grande Ninhada do Sul XIX quanto as cigarras de 17 anos da Grande Ninhada do Norte XIII emergiram em números massivos. Esta emergência simultânea não ocorre desde 1803 e não ocorrerá novamente por mais 221 anos.

Era o horário nobre para entomologistas e pesquisadores do Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.

“Usamos cigarras e outros insetos como inspiração para a engenharia de novos materiais. Como biólogos, também queremos ser capazes de usar esses materiais para então seguir na direção oposta do design. Então, os protótipos que criamos, e que podem resultar em novas superfícies comercializáveis ​​para várias indústrias, também podem ser usados ​​para nos ajudar a explicar questões biológicas fundamentais sobre a seleção natural”, disse Marianne Alleyne, professora de entomologia e ciência mecânica e engenharia em Illinois.

O trabalho de seu laboratório gira em torno do design bioinspirado: o processo de aprender com a natureza para desenvolver novos materiais e tecnologias.

Yutao Chen, biólogo e estudante de pós-graduação no Laboratório ABC de Alleyne, está estudando as propriedades antibacterianas das asas de cigarra para fabricar superfícies funcionais inspiradas em cigarras.

“As asas da cigarra são super-hidrofóbicas, o que significa que são realmente à prova d’água, e também têm excelentes propriedades antibacterianas”, disse Chen.

Qual é o segredo por trás desses superpoderes das asas de cigarra?

A olho nu, as asas translúcidas parecem lisas e sem características. Operando o microscópio eletrônico de varredura ambiental no Beckman’s Microscopy Suite, Chen amplia uma asa de cigarra 10.000 vezes. Ao aumentar o zoom, padrões de redemoinhos emergem, e características microscópicas chamadas nanopilares entram em foco.

Cada nanopilar tem aproximadamente 150 nanômetros de largura e 200 a 400 nanômetros de altura. Em comparação, um fio de cabelo humano é cerca de 1000 vezes mais grosso do que um único nanopilar. Os nanopilares são distribuídos uniformemente em cada asa, mas podem variar em tamanho dependendo da espécie. Eles criam uma superfície áspera, dando às asas suas funcionalidades hidrofóbicas, ou repelentes de água, e antibacterianas.

Quando micróbios pousam ou se movem nos nanopilares, sua membrana externa é danificada. A contaminação microbiana ameaça as cigarras e é um problema prevalente na sociedade humana: em indústrias de transporte, oleodutos subaquáticos, implantes médicos e outros dispositivos e aparelhos, disse Chen.

Os esforços para impedir que micróbios entrem em contato com materiais geralmente são na forma de revestimentos de superfície que se danificam e perdem eficácia ao longo do tempo. Os antibióticos são comumente usados ​​para tratar bactérias durante uma infecção, mas o uso excessivo eventualmente leva à resistência microbiana.

“É fundamental desenvolver superfícies duráveis ​​que sejam mecanicamente antibacterianas”, disse Chen.

As saliências em nanoescala nas asas das cigarras são a inspiração perfeita para desenvolver esses novos materiais.

Chen usa um método de replicação em nanoescala flexível e versátil chamado litografia de nanoimpressão para imitar as características nanoscópicas das asas de cigarra. As réplicas são feitas de poliestireno, um tipo de material polimérico que não é inerentemente antibacteriano. Uma vez texturizado com nanopilares do tamanho certo, o poliestireno se torna bactericida, ou seja, capaz de destruir bactérias.

Este método de replicação pode ser pareado com eletrodeposição de pulso, uma técnica de deposição de metal, para criar réplicas de nanopilares de cobre. Chen os estuda para aplicações como filtragem de ar e água ou para desenvolver eletrodos mais condutores.

Chen usa o microscópio eletrônico de varredura ambiental de Beckman para observar bactérias Pseudomonas aeruginosa em nanopilares naturais e replicados, e um microscópio de varredura a laser confocal para avaliar o quão bem as superfícies biológicas e projetadas de nanopilares podem destruir bactérias. Na maioria dos casos, os nanopilares simplesmente perfuram ou rasgam a membrana externa da bactéria para repeli-la ou destruí-la.

As imagens de Chen mostram que os nanopilares se dobram ao interagir com bactérias.

É possível que os pilares estejam armazenando e liberando energia elástica quando em contato com as bactérias, o que acabaria esticando e rasgando a membrana, disse Chen.

Usando o microscópio eletrônico de varredura, pode ser difícil visualizar a membrana no momento exato em que ela é perfurada porque os fluidos começam a vazar da célula bacteriana e obstruem a visão.

Para determinar quais bactérias foram perfuradas, Chen usa o microscópio confocal a laser e um corante especial que cora as bactérias: células bacterianas vivas com membranas intactas ficarão verdes, enquanto células não viáveis ​​ficarão vermelhas.

O tamanho e a estrutura dos nanopilares replicados de Chen correspondem muito aos dos nanopilares naturais nas asas da cigarra. Ao preservar as dimensões e a escala originais, Chen também preserva a funcionalidade. Os nanopilares projetados podem destruir mais de 95% das bactérias em três horas.

Ainda há muito trabalho a ser feito, disse Chen.

Planos futuros incluem experimentar diferentes técnicas de fabricação e observar interações mais dinâmicas entre bactérias e superfícies replicadas usando técnicas de microfluídica. O projeto de microfluídica envolve usar pequenos canais que permitirão que Chen flua misturas líquidas de bactérias por diferentes superfícies nanopilares.