蜻蜓翅膀可以撕裂細菌而不用抗生素!

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我們終於知道為什麼了。

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特殊的殺菌表面需要一個高度活躍的研發領域。如何建構它們有很多不同的方案。

有一組研究人員注入了具有破壞細菌傳播的分子的光滑表面。其他人已經表明銀奈米粒子塗層可以破壞細菌。另一組研究人員使用黑色矽來產生一個類似於一個小的「釘子床」(奈米柱)的表面,可以實質上將細菌撕裂。

後者的這個例子可以被歸入稱為奈米結構表面(NTS)的廣泛類別是特別令人感興趣的,因為它也存在於自然界中。黑色矽的奈米結構與蜻蜓翅膀非常相似。

就像他們的相對應的組成,蜻蜓翅膀可以殺死細菌。

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「釘子床」被廣泛地認為這樣的表面可以透過刺破細胞壁來破壞細菌。但是在基於廣泛使用各種顯微技術的新發表的研究裡,一個包含澳洲和奈及利亞研究人員的研究團隊表明可能是一種完全不同的殺戮機制在發揮作用。

關於傳統想法錯誤的第一條線索來自於觀察蜻蜓翅膀上的奈米柱高度並不完全相同,如下圖所示:

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這與合成的「釘子床」表面形成對比,其傾向於產生等高的奈米柱。

更靠近檢驗進一步證明,細菌膜不與奈米柱有直接接觸。

相反地,細菌(在這個情況下是大腸桿菌)透過所分泌稱為「細胞外聚合物」(EPSs)的結構分子附著到奈米柱上。這可以在下面的圖像中看到, 類似「手指」的擴展。

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一旦細菌著陸在表面上,它們就受到附著力。這些可以使細菌膜變形,但是單靠這樣,可能不會引起細菌斷裂。

相反地,細菌基本上是掉入那些電影惡棍很喜歡的險惡的陷阱之一。如果它們不移動,細菌可能仍會存活。

然而,當它們移動時,剪力拉動細胞外聚合物,將膜撕裂。這導致細胞內容物致命的洩漏,讓細胞像氣球一樣放氣,如下圖所示:

Screen_Shot_2017-02-06_at_10.51.40_PM

只有在細胞死後,奈米柱才能穿透細胞。

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作者得出結論於圖表來比較奈米柱使細胞死亡的舊模型與他們的新模型:

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圖表的上半部描繪了舊的模型,顯示奈米柱直接刺穿細菌細胞。作者認為應該要用他們的新模型來取代原本的理解如圖表下半部所示。

在這個模型中,細菌不直接接觸納米柱,而是通過分泌物質。當它們試圖移動時,剪力將膜撕裂產生孔洞,引起細胞內容物的致命洩漏,之後奈米柱才刺穿細胞。

這項研究仍有一些限制。首先,它是對大腸桿菌做觀察,大腸桿菌是具有兩個膜的革蘭氏陰性細菌。

作者應該要用僅含有一個膜的革蘭氏陽性細菌重複他們的分析。

第二,他們應該使用沒產生這麼多細胞外聚合物的細菌來重複他們的分析,看看納米柱是否仍然是可以使其致命的。

最後,他們應該確認擁有相同高度納米柱的合成奈米結構表面,會是透過舊模型還是他們新提出的機制來殺死細菌。

深入了解自然如何運作將可以幫助那些希望模仿它的科學家。它提供了一個有趣的解釋說明為什麼蜻蜓翅膀是如此乾淨。

該研究已發表在美國化學學會應用材料與界面期刊

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這個故事最初是由美國科學和健康委員會出版。閱讀原始故事

來源:Science alert