Цветы спасут мир от микробов, устойчивых к антибиотикам

Ученые МФТИ с коллегами изучили взаимосвязь между структурой поверхности цветочных лепестков и их устойчивостью к колонизации микроорганизмами. Установлено, что нанесение на полимерные материалы рельефного рисунка, повторяющего структуру поверхности растений,— многообещающий метод защиты от микробов, который не требует применения антибиотиков. Метод прост в реализации и легко масштабируется до промышленных масштабов.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Благодаря уникальным физико-химическим свойствам: гибкости, термостойкости, устойчивости к окислению и биосовместимости,— полимеры нашли широкое применение. В частности, из них изготавливают медицинские изделия: катетеры, контактные линзы, протезы и имплантаты. В то же время поверхность полимеров имеет характеристики, благоприятствующие прикреплению к ней бактерий, что может привести к инфицированию пациентов.

Традиционно с бактериальными инфекциями борются с помощью антибиотиков, но появление устойчивых к ним штаммов требует поиска новых способов защиты от колонизации, то есть от заселения поверхностей микроорганизмами. На решение этой проблемы исследователей МФТИ: Марию Баршутину, Дмитрия Якубовского, Алексея Арсенина — и их коллег из ТГТУ и ИБГ УФИЦ РАН вдохновили цветы, точнее структура поверхности лепестков.

Следует пояснить, что заимствование учеными идей у природы — иными словами, биомиметика — подарило миру множество изобретений. Например, плоды репейника являются прототипом текстильной застежки-липучки, а изучение нервной системы человека позволяет развивать электронику и компьютерные науки, в том числе системы искусственного интеллекта.

В данной работе для экспериментов ученые выбрали полидиметилсилоксан — линейный полимер, известный в быту как силикон,— и четыре цветка: розу, ромашку, анютины глазки и магнолию. Чтобы изготовить силиконовые копии лепестков, фрагменты лепестков живых растений площадью около 1 кв. см закрепляли в чашке Петри. Затем их заливали жидкостью на основе полидиметилсилоксана и выдерживали при комнатной температуре в течение двух дней. После отверждения образцы аккуратно снимали и промывали дистиллированной водой.

Изучение полученных образцов проводилось методом сканирующей электронной микроскопии (см. рис. 1). Этот метод позволяет получить изображение поверхности при отражении от нее пучка электронов.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Установлено, что у силиконовых копий лепестков роз поверхность испещрена ячеистыми полостями диаметром 25–35 мкм, стенки и дно которых покрыты складками размером 700–900 нм. У копии лепестков ромашки похожие полости, только более извилистые и крупные, их диаметр составляет 35–45 мкм. Внутри полостей тоже есть субмикронные складки, но их рельеф менее выраженный. Поверхность копий лепестков анютиных глазок и магнолии имеет другую структуру: на ней расположены бороздки с низкорельефными складками внутри. Причем у копий анютиных глазок длина и ширина бороздок составляет 60–90 и 35–45 мкм соответственно, тогда как у копий магнолии оба указанных параметра примерно на 10 мкм меньше.

Антибактериальные свойства шести силиконовых копий лепестков и плоской подложки, взятой в качестве контрольного образца, оценивались на примере их заселения кишечной палочкой. Кишечная палочка является частью микрофлоры кишечника теплокровных животных и человека.

Силиконовые образцы 30 мин стерилизовали под ультрафиолетовой лампой, затем помещали в жидкую питательную среду, предназначенную для культивирования микроорганизмов, и инкубировали при 37 °C в течение 48 часов. После этого образцы промывали. Визуализировали кишечную палочку под микроскопом посредством флуоресцентного белка, выполняющего роль красителя, и рассчитывали площадь ее распространения (см. рис. 2).

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Согласно полученным результатам, на плоской подложке кишечная палочка заняла 18% площади. Для копий лепестков часть площади, колонизированная микробом, уменьшается в следующем порядке: магнолия (16%), анютины глазки (6%), ромашка (2%), роза (1,5%). Следует подчеркнуть, что копии ромашки и розы имеют самый высокий уровень сложности и неоднородности поверхности, при этом у них наиболее выражены антибактериальные свойства.

«Мы тщательно изучили взаимосвязь между структурой поверхности цветочных лепестков и их устойчивостью к колонизации микроорганизмами,— объяснила Мария Баршутина, старший научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.— Это позволило нам разработать алгоритм прогнозирования антибактериальных свойств синтетических материалов, поверхность которых имитирует ткани растений».

Нанесение на полимерные материалы рельефного рисунка, повторяющего структуру поверхности растений,— многообещающий метод защиты от микробов, который не требует применения антибиотиков. Основное преимущество метода в том, что он прост в реализации и легко масштабируется до промышленных масштабов. Полученные результаты могут быть использованы для модернизации производства полимерных медицинских изделий с антибактериальным покрытием.

Кроме ученых из МФТИ в работе принимали участие их коллеги из Исследовательского центра новых технологий XPANCEO (Дубай), Института энергетики, приборостроения и электроники Тамбовского государственного технического университета, Института биохимии и генетики УФИЦ РАН (Уфа).

Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ, проект №24-45-00021.
Использованы материалы статьи