Investigadors de la URV han desenvolupat un model teòric a escala nanomètrica per crear estructures que matin bacteris utilitzant forces elàstiques. Els resultats d'aquest estudi obren la porta a nous materials antibacterians

La resistència als antibiòtics s’ha convertit en un greu problema de salut pública. Infeccions hospitalàries, pròtesis o implants quirúrgics que s’infecten i no responen als tractaments plantegen tot un repte a la comunitat investigadora, que des de fa anys busca alternatives per eliminar aquests bacteris de forma eficaç. El 2012 els investigadors del Departament d’Enginyeria Química de la Universitat Rovira i Virgili Vladimir Baulin i Sergei Pogodin van obrir una línia de recerca per desenvolupar models antibacterians que s’inspiraven en les ales d’alguns insectes com les libèl·lules, que estan formades per estructures complexes amb formes geomètriques de mida nanomètrica i que tenen molt de poder bactericida. En el procés d’intentar comprendre aquestes formacions per reproduir-les en forma de nous materials antibacterians, un equip format per Vladimir Baulin, Marc Werner, de l’Institut de Recerca de Polímers Leibniz de Dresden (Alemanya) i Elena Ivanova, de la universitat australiana RMIT, ha descobert que l’elasticitat dels pilars que conformen aquestes nanoestructures és un element clau, ja que poden guardar i alliberar l’energia suficient per matar els bacteris.

La línia de recerca iniciada anys enrere ja va descobrir que les ales d’aquests insectes estan formades per una estructura de pilars de mida nanomètrica que elimina els bacteris de manera mecànica, els trenquen quan toquen la superfície, que és el que es coneix com a efecte biocida. Aquestes propietats mecanicobactericides , en què els bacteris es moren gairebé a l’instant per contacte amb els pilars sense necessitat d’utilitzar cap substància química, planteja moltes incògnites que els investigadors intenten desvelar provant amb diferents formes i geometries que els ajudin a comprendre quina és la més eficient en l’efecte bactericida.

Per demostrar-ho, van estudiar la capacitat bactericida en superfícies nanomètriques variant l’altura dels pilars i mantenint constants la resta de dimensions. Els resultats, que s’acaben de publicar a la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), han posat de manifest que la flexibilitat d’aquests pilars està estretament relacionada amb el seu aspecte. “Fins i tot els materials sòlids i molt rígids són flexibles si una de les dimensions és molt més llarga que les altres, per exemple una corda de guitarra o un pilar llarg”, explica Vladimir Baulin. Els investigadors han desenvolupat un model físic que demostra que en contacte amb els bacteris, aquests pilars poden acumular energia elàstica fins i tot a tan petita escala. Gràcies a aquest model, és possible calcular la resposta elàstica d’altres estructures i optimitzar-ne les propietats antibacterianes.

Les forces de deformació del pilar a causa del contacte amb els bacteris són tan elevades que poden arribar a trencar la paret cel·lular dels bacteris i d’aquesta manera proporcionar així un nou mecanisme per matar-les. Aquestes forces s’associen a les tensions superficials imposades a les cèl·lules bacterianes. L’estirament dels pilars per sota els bacteris que s’acosten és més alt en les vores, mentre que els pilars situats sota el centre dels bacteris pràcticament no s’inclinen. El treball demostra, doncs, que la variació gradual de l’altura dels pilars d’una superfície nanomètrica pot ser determinant a l’hora de determinar-ne l’eficàcia bactericida.

Aquest descobriment pot conduir a una classe de materials antibacterians completament nova, que anirien des d’embolcalls d’aliments fins a filtres o màscares. “A diferència dels filtres tradicionals, en què els bacteris s’hi queden però no es desactiven, els nous materials elàstics a nanoescala poden matar-los de forma segura en qüestió de minuts, la qual cosa no els permet activar cap mecanisme de defensa ni presentar-hi resistències”, conclou Baulin.

Referència bibliogràfica: Elena P.Ivanova, Denver P. Linklater, Marco Werner, Vladimir A. Baulin, XiuMeiXu, NandiVrancken, SergeyRubanov, Eric Hanssen, JasonWandiyanto, Vi KhanhTruong, AaronElbourne, ShaneMaclaughlin, SauliusJuodkazis, and Russell J. Crawford. The multi-faceted mechano-bactericidal mechanism of nanostructured surfaces. Proceedings of the National Academy of Sciences May 2020, 201916680; DOI: 10.1073/pnas.1916680117