Ett team av fysiker och biologer som arbetar vid Saarlands universitet har utvecklat en metod med vilken de kan mäta kontaktytan mellan en bakterie och ytan den "sitter" på. Intressant, och kanske kontraintuitivt, en stor kontaktyta betyder inte nödvändigtvis en stor vidhäftningskraft. Det visar sig att specifika egenskaper hos bakterierna, som resulterar i lokala skillnader i sammansättningen av proteinerna i cellväggen, är huvudorsakerna till de observerade skillnaderna i vidhäftning. Dessa resultat kan nu användas för att optimera antibakteriella material. Forskningsarbetet publiceras idag i tidskriften Nanoskala .

Bakterier av arten Staphylococcus aureus är bland de mest utbredda och farliga patogenerna i vår tid. En av anledningarna till deras effektivitet är deras förmåga att fästa på både syntetiska och naturliga ytor, där de bildar mycket långlivade biofilmer. Dessa biofilmer skyddar effektivt de enskilda patogenerna vilket gör dem mycket svåra att ta bort från en yta. Det är därför deras närvaro på medicinska implantat är så fruktad och varför de är en viktig orsak till postoperativ infektion. Ett tillvägagångssätt för att förhindra infektion är därför att förhindra bildandet av biofilmen. Men för att kunna påverka biofilmstillväxt, forskare måste förstå mekanismen genom vilken bakterierna fäster på ytor. Till exempel, det skulle vara användbart att veta exakt vilken del av ytan av en enda bakteriecell som faktiskt är i kontakt med ytan. Dock, eftersom dessa sfäriska bakterier bara är en mikrometer i diameter (ungefär en hundradel av tjockleken på ett människohår), det var osannolikt att konventionell ljusmikroskopi skulle kunna användas för att bestämma kontaktytan.

Saarlands universitetsteam ledd av experimentfysikern professor Karin Jacobs och mikrobiologen professor Markus Bischoff använde sig därför av en annan egenskap hos bakterien, nämligen att vidhäftningsstyrkan som uppvisas av olika bakteriearter ofta beror starkt på vilken typ av yta den är belägen på. Till exempel, bakterierna som var i fokus för den här studien fäster mycket mer effektivt till starkt hydrofoba ytor än till vätbara (hydrofila) ytor. Forskarna skapade därför en kiselbaserad yta som uppvisade båda egenskaperna - starkt hydrofob i en region, mycket vätbar i en annan – inom ett extremt litet område. Den adhesiva kraften som utövas av enskilda bakterier på denna speciellt preparerade yta mättes sedan med hjälp av ett scanning atomic force microscope, känt som ett kraftspektroskop.

Metoden går ut på att bringa en enda bakteriecell i minimal kontakt med ytan och sedan mäta kraften som krävs för att lossa bakterien från den ytan. Detta är den vidhäftande kraften. På den hydrofoba (bokstavligen "vattenhatande") delen av ytan, kraften är ungefär tio gånger större än vad som behövs när bakteriecellen fäster vid den hydrofila ('vattenälskande') regionen. Denna procedur upprepas sedan med bakteriecellen placerad successivt närmare gränsen mellan de hydrofoba och hydrofila regionerna, sedan mäter man kraften med bakterien belägen på själva gränsen och slutligen med bakterien belägen i den rent hydrofila zonen där vidhäftningskraften är som svagast. Mätdata som relaterar en enskild cells vidhäftningskraft till dess exakta position på den specialanpassade ytan, och därför till ytans vätbarhet, har gjort det möjligt för forskargruppen i Saarbrücken att sluta sig till storleken på kontaktytan mellan bakterien och ytan. Metoden kan även användas för andra mätningar, såsom att bestämma vidhäftningskraften hos kolloidala partiklar, som också är sfäriska till formen.

Forskargruppen upptäckte att diametern på kontaktytan, som antogs vara cirkulär, var i storleksordningen några tiotal till flera hundra nanometer (tusen nanometer motsvarar en tusendels millimeter) och att storleken på kontaktytan kan variera avsevärt mellan olika individuella celler av samma art Staphylococcus aureus. För jämförelseändamål, En icke-patogen medlem av släktet Staphylococcus studerades också som vidhäftar mycket mindre starkt till ytan än patogenen Staphylococcus aureus. Det är särskilt häpnadsväckande att storleken på kontaktytan absolut inte har någon effekt på vidhäftningsstyrkan mellan en bakteriecell och ytan. Forskarna kunde också visa att trots sin sfäriska form, bakterierna kan inte bara beskrivas som hårda sfärer när de interagerar med en yta. En mer exakt beskrivning är att tänka på dem som bollar som är täckta med en mjuk, lurvig och ojämn beläggning av cellväggsproteiner och att denna beläggning är huvudfaktorn som bestämmer vidhäftningen mellan cellen och ytan. Den uttalade lokala variationen i vidhäftningskraften återspeglar de olika sammansättningarna av grupperna av cellväggsproteiner, som avgör hur starkt ett område av cellens yta kan fästa vid en yta.

Det tillvägagångssätt som används i studien kan, i princip, appliceras på alla andra arter av bakteriella patogener oavsett om de är sfäriska eller stavliknande till formen. Resultaten kan mycket väl bana väg för att utveckla ytor vars morfologi kan justeras noggrant för att modifiera dessa vidhäftningskrafter, på så sätt undertrycka vidhäftningen av oönskade bakteriella patogener, eller, alternativt, uppmuntra vidhäftning av bakterier, som de som används vid avfallshantering, vars närvaro önskas.