Ytorna människor interagerar med varje dag kan verka ganska vardagliga, men i molekylskala, det är mer aktivitet än vad som syns.

Varje yta vi rör vid har sina egna unika kemiska egenskaper. Det är på grund av dessa egenskaper som vissa material fastnar på ytor, medan andra glider av. För en person, en klibbig yta kan vara en liten irritation, men för en bakteriecell, ytfästning kan vara en fråga om liv och död. Bakterier har utvecklat sina egna ytor till att bli klibbiga, som kardborreband.

När bakterier koloniserar en yta, de skapar en gemenskap som kallas en biofilm, som kan vara en infektionskälla på medicintekniska produkter eller implantat. Ökande oro över dessa infektioner har fått ett antal forskare att utveckla material för att blockera dessa ibland farliga filmer.

Som biofysiska kemister, min forskargrupp och jag försöker förstå de molekylära krafter som gör att biologiska molekyler - som de på bakterier - kan fästa vid ytor under de tidigaste faserna av biofilmbildning. Genom att förstå detta tidiga fäststadium, vi kan minska riskerna som en biofilm kommer att bildas på implanterad medicinsk utrustning och utgöra ett hot mot människor.

Bakteriekolonier

Biofilmer är tätt packade grupper av bakterier eller andra mikroorganismer som lever på en yta. Som en stad, Att växa inom en biofilm har vissa fördelar. Till exempel, det ger strukturellt stöd, som golven i ett höghus, och mikrober kan dela näringsämnen. Jämfört med fritt flytande bakterier, bakterier i en biofilm är skyddade, så att de kan undvika vårt immunsystem och motstå antibiotika.

När biofilm bildas på medicintekniska produkter eller implantat, de kan fungera som en ihållande källa till svårbehandlade infektioner. Dessa kostar inte bara miljarder dollar att behandla, men tar tusentals liv varje år i USA enbart.

Forskare försöker förstå hur biofilmer bildas och hur man förhindrar dem. Molekylära biologer räknar ut hur bakteriellt DNA kodar för maskiner som gör att celler kan fästa vid ytor och varandra. Mikrobiologer och läkemedelskemister letar efter läkemedel som kan tränga igenom och störa biofilmer. Och biofysiska kemister som jag försöker släcka de molekylära interaktionerna som gör dessa biofilmer utmanande att förebygga.

Ytkomplexitet

Staphylococcus aureus och S. epidermidis är två bakteriearter som normalt inte utgör några problem för våra kroppar. Dock, när en stafylokockbiofilm bildas på ytan av ett medicinskt implantat som en artificiell höft, dessa celler kan orsaka sjukdom. Stafylokockbiofilmer hålls samman av sockerarter eller polysackarider, proteiner och nukleinsyror, molekylära byggstenar för alla levande organismer. Dessa komponenter gör det möjligt för bakteriecellerna att inte bara hålla sig till varandra, men också till naturliga och implanterade ytor i kroppen - som en hjärtklaff.

Ytorna på medicintekniska produkter är komplexa, särskilt när de har utsatts för kroppen. Mänskliga blodproteiner täcker snabbt ytan på medicinska implantat, ändra karaktären som både patientens och enhetens ålder. När en bakteriecell ansluter sig till en av dessa ytor, cellens komponenter interagerar med ytan på det medicinska implantatet, bildar ett komplext nätverk av interaktioner. I vår forskning, vi undersöker de bakteriella ytproteiner som är involverade i ytfästning.

Att studera dessa interaktioner är utmanande. Vanligtvis, kemiska experiment utförs i lösning, men biofilmförsök måste göras på en yta. Att upptäcka molekylerna vid ytan är en utmaning. Det beror på att det finns färre av dessa molekyler jämfört med materialets totala volym, precis som skinnet på tomaten är en liten bråkdel av massan av hela tomaten.

Vi presenterar nanoskala

För att övervinna denna begränsning, vi undersöker hur proteiner som finns på bakterieytan interagerar med nanopartikelytor. Specifikt, vi använder nanopartiklar avsedda att efterlikna ytan på medicinsk utrustning, och vi riktar oss mot proteiner som är involverade i stafylokockinfektioner, en viktig källa till sjukhusrelaterad sjukdom.

Nanopartiklar har en diameter som är mycket mindre än en bakteriecell. Men medan en typisk cell skulle dvärga en nanopartikel, nanopartikeln är fortfarande mycket större än molekylerna på cellens yta. Genom att använda många nanopartiklar är det lättare att observera hur bakterien och partikeln interagerar och observerar bakteriemolekylerna som är involverade i biofilmbildning.

Specifikt, vi försöker förstå strukturen och orienteringen av proteiner på olika typer av ytor. Även om vi inte är den första eller den enda gruppen som är intresserade av detta ämne, vårt arbete har börjat avslöja de molekylära detaljerna om hur proteiner interagerar med nanopartikelytor.

Vi kan undersöka hur tätt bakterierna klamrar sig till en yta - och vi kan undersöka hur proteinmolekyler konkurrerar om samma yta. Till exempel, givet en samling bakteriella proteiner, vilken av dessa kommer slutligen att fästa på ytan av ett medicinskt implantat?

När vi upptäcker svaren på dessa frågor kommer vi att kunna identifiera de viktiga elementen som är involverade i tidig biofilmbildning. Detta kommer att vara användbart för forskare som försöker hämma dessa interaktioner terapeutiskt, eller de som vill designa nya biofilmresistenta ytor.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.