Жирные кислоты и насыщенные углеводороды сделали крылья цикад бактерицидными

Американские ученые показали, что химический состав крыльев цикад влияет на их супергидрофобность и бактерицидные свойства не меньше, чем нанорельефная текстура на поверхности. В статье в Advanced Materials ученые пишут, что жирные кислоты и насыщенные углеводороды на поверхности крыла убивают налипающие на крылья бактерии и у цикад с гладким крылом, и у тех, поверхность которых покрыта массивом наностержней. Во втором случае это еще и делает крыло супергидрофобным.

Крылья многих насекомых обладают гидрофобной поверхностью — это помогает защитить крыло от грязи, дождевых капель и бактерий. Такая защита не дает грязи налипать на крылышки, но если этого недостаточно, то насекомые не ограничиваются изменением химического состава поверхности, а дополнительно наносят на нее рельефную нанотекстуру. Тогда поверхность становится супепргидрофобной, и капли не просто не прилипают к крыльям, но и сразу же скатываются с них. Считается, что некоторым видам цикад такая текстура помогает бороться с биозагрязнением, повреждая мембраны налипающих на крылья бактерий.

Американские исследователи под руководством Джессики Роман-Кустас (Jessica Román-Kustas) из Научно-исследовательской лаборатории строительной техники (CERL) решили разобраться, действительно ли бактерицидная природа крыльев цикад связана с их супергидрофобностью и какую роль в антимикробных свойствах играет химический состав крыла, а какую — нанорельеф на его поверхности. Для этого ученые сравнили крылья двух видов из семейства певчих цикад: однолетней цикады Neotibicen pruinosus и периодической цикады Magicicada cassinii. Периодическая цикада имеет 17-летний цикл развития, но в форме взрослого насекомого с крыльями живет меньше месяца. У цикады N. pruinosus цикл развития всего год, но в крылатой форме она находится значительно дольше — от 2 до 4 месяцев. Поэтому и свои крылья от воды это насекомое защищает значительно усерднее: если у 17-летней цикады M. cassinii поверхность крыла почти гладкая и выступы не выше 50 нанометров, то на крыльях однолетней цикады N. pruinosus можно обнаружить упорядоченный массив из наностолбиков высотой в несколько сотен нанометров.

С помощью микроволновой экстракции (microwave-assisted extraction) авторы работы снимали слой за слоем с поверхности крыла и определяли его химический состав. Выяснилось, что основный компонент гидрофобного покрытия для обоих видов насекомых — жирные кислоты и насыщенные углеводороды с углеродным скелетом длиной от 17 до 44 атомов. При этом основная доля приходится на более короткие молекулы (углеводороды длиной до 29 атомов и жирные кислоты длиной 19 атомов). Такой химический состав делает почти гладкую поверхность крыльев M. cassinii гидрофобной, а текстурированную поверхность крыла N. pruinosus — супергидрофобной и помогает таким образом избавить крылья от излишков воды и грязи на поверхности.

Чтобы оценить бактерицидные свойства крыльев, авторы работы изучили взаимодействие крыльев с клетками кишечной палочки — насколько охотно бактерии садятся на крылья насекомых и сколько из них потом погибает. Предыдущее исследование предполагало, что к смерти бактерий приводят именно наностолбики: за счет прокола или разрыва при растяжении разрушается клеточная мембрана бактерии, и клетка погибает. Однако сейчас ученые показали, что бактерицидный механизм, вероятно, несколько сложнее и химический состав поверхности крыла важен не меньше, чем нанотекстура. Наностолбики на поверхности действительно заметно уменьшает число бактерий, изначально севших на крыло (при этом количество бактерий увеличивается с уменьшением гидрофобности). Однако процент погибших клеток на гладкой и нанотекстурированной поверхностях оказался практически одинаковым. Послойный анализ химического состава показал, что основную роль в гибели бактерий, вероятно, играют насыщенные углеводороды.

Ученые отмечают, что полученные данные будут крайне полезными при создании искусственных гидрофобных поверхностей с антибактериальными свойствами. Химики нередко используют крылья насекомых в качестве биопрототипа искусственных материалов. Например, химики из США и Китая сделали материал, который отражает не более одного процента света в видимом и инфракрасном диапазонах, использовав в качестве прообраза гидрофобные брохосомы — частицы, которые производят цикадки для маскировки и защиты.

Стоит отметить, что далеко не все насекомые, которые часто контактируют с водой, делают свои крылья супергидрофобными. Например, у медоносных пчелы угол смачивания едва превышает 100 градусов, но они могут двигаться по поверхности воды, гребя крыльями, как веслами.

Александр Дубов