Dalle ali alle superfici batteriche: cosa possono insegnarci gli insetti

La disinfezione costituisce un importante trattamento per abbattere la carica microbica di ambienti, superfici e materiali e può essere eseguita utilizzando prodotti disinfettanti (biocidi o presidi medico chirurgici) autorizzati dal Ministero della Salute. Bisogna tener presente che i microrganismi in ambiente non sono sempre planctonici o a vita libera ma tendono ad aggregarsi in complesse comunità denominate Biofilm che rappresentano nient’altro che una strategia di sopravvivenza in cui diversi microrganismi trovano non solo nutrimento ma protezione.

Queste comunità possono comportare un rischio non solo per la salute ma anche per i costi di manutenzione, basti pensare alle tubature di una condotta idrica. L’interesse per trovare metodi atti ad impedirne non solo la crescita ma una facile manutenzione sono elevati. Tuttavia in natura è possibile osservare moltissimi organismi tra cui piante e animali che sfruttano particolari nano-strutture per impedirne la formazione.

Le ali di Orthetrum villosovittatum

Lo studio condotto dalla collaborazione tra l’università del Queensland e della Nigeria, ha mostrato la presenza nelle sue ali di Orthetrum villosovittatum nanostrutture con proprietà antibiofouling, una proprietà simile a quella presente nelle ali della cicala Psaltoda claripennis con una diversa organizzazione delle nanostrutture (Figura 1).

Orthetrum villosovittatum, specie utilizzata nello studio della struttura delle ali — *Figura 1 – Immagine di Orthetrum villosovittatum*

Le nanostrutture presentano una forma cilindrica e sono organizzati in due popolazioni che non presentano un’altezza uniforme ma alcuni sono più alti rispetto ad altri (Figura 2).

Distribuzione delle nanostrutture presenti sulle ali della libellula — Figura 2 – Distribuzioni gerarchiche di due prominenti nella topografia nanopillare di un’ala di libellula. (a) Micrografia agli ioni di elio che mostra la
disposizione delle nanostrutture sull’ala della libellula. I nanopillari derivano dalle creste orizzontali alla base. (b) microfotografia TEM che mostra una vista in sezione trasversale dell’ala e le nanostrutture . È possibile osservare una disposizione alta e corta. La base dell’ala è più dominante ed è lì dove si attacano le nanostrutture.

Qual è il meccanismo che permette la lisi dei batteri?

Gli studiosi per poter mostrare il meccanismo di lisi hanno utilizzato il batterio Gram negativo E. coli. Da quello che è stato osservato sulle ali di Orthetrum villosovittatum, la lisi non avviene grazie al solo contatto tra le nanostrutture e il batterio con la conseguente perforazione della membrana esterna. Nel caso della libellula la lisi avviene tramite l’adesione tramite gli EPS alle nanostrutture che permettono la fuoriuscita del citoplasma grazie alla forza che si viene a creare che provoca la separazione tra la membrana esterna e la membrana interna con la conseguente morte cellulare.

Questo meccanismo permette di evitare che si vengano a creare Biofilm sulle ali dell’insetto, questo garantisce che siano pulite e non ne compromette la funzione soprattutto per le libellule che passano la loro vita volando; e ne permette inoltre di trovare un partner per l’accoppiamento grazie ai corteggiamenti e l’accoppiamento che avvengono in volo (Figura 3).

Differenza tra il meccanismo di lisi batterica sulle ali della cicala e della libellula — *Figura 3 – Differenza tra il meccanismo di lisi batterica nelle ali della cicala e della libellula.*

La superficie antibatterica ispirata alle nanostrutture

Da uno studio pubblicato recentemente è stato possibile osservare l’efficienza di lisi batterica a seconda delle altezze delle nanostrutture ideate. La superficie costruita ha replicato, tenendo conto degli studi precedenti, una struttura simile a quella presente nelle ali degli insetti. Le implicazioni della superficie sono molteplici perché potrebbe essere usata per la costruzione di strumenti senza dover ricorrere a sostanze antibatteriche per evitare la crescita di agenti patogeni.

Fonti

“The multi-faceted mechano-bactericidal mechanism of nanostructured surfaces” Elena P. Ivanovaa, Denver P. Linklatera, Marco Wernerc, Vladimir A. Baulind, XiuMei Xue, Nandi Vranckene, Sergey Rubanovg, Eric Hansseng, Jason Wandiyantoi, Vi Khanh Truonga, Aaron Elbournea, Shane Maclaughlinb, Saulius Juodkazisi, and Russell J. Crawforda. April 14, 2020 PNAS
“Bactericidal Effects of Natural Nanotopography of Dragonfly Wing on Escherichia coli” Chaturanga D. Bandara, Sanjleena Singh, Isaac O. Afara, Annalena Wolff, Tuquabo Tesfamichael, Kostya Ostrikov, and Adekunle Oloyede. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 6746−6760. January 31, 2017
Comment on “Bactericidal Effects of Natural Nanotopography of Dragonfly Wing on Escherichia coli” Denver P. Linklater, Saulius Juodkazis, Sergey Rubanov, and Elena P. Ivanova. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 29387−29393 August 11, 2017