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Jun 09, 2023

Repulsão entrópica do colesterol

Nature volume 618, páginas 733–739 (2023)Cite este artigo 12k Acessos 76 Detalhes de métricas altmétricas O controle de adesão é uma característica marcante da matéria viva que é de particular interesse em relação

Nature volume 618, páginas 733–739 (2023)Cite este artigo

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76 Altmétrico

Detalhes das métricas

O controle da adesão é uma característica marcante da matéria viva e de particular interesse no que diz respeito à tradução tecnológica . Descobrimos que a repulsão entrópica causada por flutuações de orientação interfacial das camadas de colesterol restringe a adsorção de proteínas e a adesão bacteriana. Além disso, descobrimos que camadas de éster de cera intrinsecamente adesivas tornam-se similarmente antibioadesivas quando contêm pequenas quantidades (abaixo de 10% em peso) de colesterol. Experimentos de umedecimento, adsorção e adesão, bem como simulações atomísticas, mostraram que as características repulsivas dependem da estrutura molecular específica do colesterol que codifica uma reorientação flutuante finamente equilibrada na interface de conjuntos supramoleculares irrestritos: camadas de análogos do colesterol que diferem apenas em minúsculas variações moleculares. mostrou mobilidade interfacial marcadamente diferente e nenhum efeito antiadesivo. Além disso, as camadas de colesterol fixadas orientativamente não resistiram à bioadesão. Nossos insights fornecem uma perspectiva físico-química conceitualmente nova sobre biointerfaces e podem orientar o projeto futuro de materiais na regulação da adesão.

A vida desenvolveu uma infinidade de princípios poderosos para controlar a adesão, alguns dos quais foram recapitulados em materiais de engenharia. Exemplos proeminentes incluem as folhas superhidrofóbicas do lótus sagrado1 e as superfícies omnifóbicas das plantas carnívoras Nepenthes2. Embora os fenómenos interfaciais na natureza sejam amplamente estudados, os mecanismos físicos subjacentes ao controlo da bioadesão – a acumulação interfacial de biopolímeros e células (incluindo bactérias) – ainda não são completamente compreendidos. Anteriormente, exploramos a cutícula onifóbica e antibioadesiva de Collembola (Fig. 1a) e descobrimos que ela consiste em estruturas nanoscópicas com perfis transversais salientes (Fig. 1b, c) evitando o umedecimento e a colonização bacteriana . Mais tarde, o envelope rico em lipídios da cutícula Collembola (Fig. 1c) - considerado como outra 'linha de defesa' contra a bioadesão - mostrou conter hidrocarbonetos alifáticos, em particular esteróides, ácidos graxos e ésteres de cera (Fig. 1d e Dados estendidos Fig. 1)7. Embora se possa razoavelmente presumir que os ésteres de cera suportam as propriedades não umectantes da cutícula8, o papel dos esteróides e dos ácidos graxos permanece indefinido. Foi relatado que os ácidos graxos livres matam ou inibem o crescimento de bactérias e fungos9,10, e descobriu-se que os esteróides reduzem a bioadesão em esponjas e estrelas do mar11; no entanto, nenhuma explicação mecanicista para este efeito dos esteróides está disponível. Os componentes lipídicos anfifílicos da cutícula Collembola também estão contidos nas membranas de células animais e bacterianas que desempenham papéis importantes na compartimentalização e no alinhamento funcional de mecanismos moleculares . O colesterol, em particular, tem sido exaustivamente estudado e sua presença é considerada crucial para a regulação dos domínios lipídicos funcionais e a interação entre proteínas e lipídios13. No entanto, a relevância funcional do colesterol nas interfaces de estruturas vivas que não sejam as membranas celulares é pouco explorada.

a, Imagem de Tetrodontophora bielanensis, um exemplar Collembola sp. Barra de escala, 1 mm. b, Imagem de microscopia eletrônica de varredura de cutícula de T. bielanensis. Barra de escala, 500 nm. c, Esquema de corte transversal da cutícula, mostrando uma estrutura em camadas que consiste em um esqueleto interno rico em quitina coberto por uma camada rica em proteínas. Um envelope fino e rico em lipídios cobre a camada rica em proteínas. Barra de escala, 200 nm. d, Resumo dos lipídios detectados na camada externa da cutícula de T. bielanensis7. e, Camadas de lipídios cuticulares de Collembola; SCLs contendo colesterol facilitam a adaptação orientacional dos lipídios superiores à polaridade do ambiente. ATR-FTIR (Fig. Complementar 2) e medições de ângulo de contato dinâmico (Fig. 2c e Dados Estendidos Fig. 4a) indicam moléculas de colesterol altamente ordenadas, com a cauda de hidrocarboneto da camada externa de colesterol inicialmente orientada para a interface e os grupos hidroxila orientados para dentro. SAMs quimicamente absorvidos em ouro através de grupos tiol, com o lado polar ou não polar do colesterol orientado para a interface, serviram como referências em experimentos selecionados. f – i, quantidade adsorvida de proteína (f, i) e células aderentes normalizadas (g, h). Quantidade adsorvida de proteína (lisozima ou soro bovino fetal) em camadas monocomponentes de lipídios cuticulares Collembola (f) e SCLs multicomponentes de palmitato de estearila e colesterol (i), conforme determinado por medições de microbalança de cristal de quartzo. Células aderentes normalizadas de S. epidermidis em camadas monocomponentes de lipídios cuticulares de Collembola (g) e SCLs multicomponentes de palmitato de estearila e colesterol (h). Dados normalizados para densidade média de células aderentes em substrato de sílica (SiO2). h, i, SCLs de estearil palmitato puro (100/0) e SCLs de colesterol puro (0/100) serviram como controles negativos e positivos, respectivamente. f – i, Média + sd O número de observações (n) é indicado. Os valores de P (comparação com a condição SCL de colesterol em f, ge com a condição 0/100 em h, i) foram determinados usando análise de variância unidirecional. UA, unidades arbitrárias.