Forskare har visat hur bakterier fäster på grova ytor på mikroskopisk nivå. Nu har ett team av forskare upptäckt att exakt analys av den topografiska sammansättningen av nanostrukturerade ytor ger ett direkt sätt att härleda de adhesiva krafterna som binder bakterier till en yta. Denna upptäckt har öppnat lovande nya vägar för forskning, inklusive sätt att bekämpa de bakterier som är så farliga i kliniska miljöer. Resultaten har publicerats i den akademiska tidskriften Nanoskala .

Staphylococcus aureus bakterier är en av huvudorsakerna till sjukhusförvärvade infektioner. Dessa patogener är särskilt problematiska eftersom de kan bilda mycket robusta biofilmer på både naturliga och konstgjorda ytor och är mycket svåra att ta bort. Biofilmen skyddar effektivt de enskilda bakterierna från angrepp av andra ämnen, som antibiotika, gör dem mycket svåra att behandla. Ett tillvägagångssätt är därför att försöka stoppa biofilmer från att bildas i första hand. Men för att kunna påverka biofilmstillväxt, forskare måste förstå de mekanismer med vilka bakterierna fäster vid olika typer av material. Ytor som dörrhandtag eller medicinska implantat har nanoskala topografier och är utbredda i sjukhusmiljöer. Under mikroskopet, dessa tydligen släta ytor visar sig vara grova, oregelbundna landskap av berg och dalar.

I en tidigare studie, teamet från Saarlands universitet, ledd av experimentell fysiker professor Karin Jacobs och mikrobiologen professor Markus Bischoff, upptäckte att bakterierna fäste vid fasta ytor genom en mekanism där många individuella molekyler i bakteriecellväggen blir bundna till ytan. Dimensionerna på dessa tjudrande molekyler varierar på grund av termiska fluktuationer som kan inducera längdförändringar på cirka 50 nanometer.

I deras senaste studie, forskarna genomförde en detaljerad undersökning av hur vidhäftningsstyrkan hos enskilda molekyler beror på substratytans topografi. Forskargruppen förberedde kiselytor som uppvisade nanostrukturer av olika storlekar men av samma storleksordning som de tjudrande molekylerna i cellväggen.

De mätte sedan krafterna med vilka de enskilda bakteriecellerna vidhäftade till de nanostrukturerade ytorna. Dessa experiment visade att vidhäftningskrafterna minskade med ökande storlek på nanostrukturerna. Medan det experimentella arbetet utfördes, matematikern Michael A. Klatt från Karlsruhe Institute of Technology (nu vid Princeton University) utförde en mycket exakt analys av kiselsubstraten och kvantifierade ytgeometrier med specifika matematiska formmått som kallas Minkowski -funktioner. Förfarandet är känt som "morfometri".

Arbetar tillsammans, teamen kunde visa att storleken på den experimentellt bestämda vidhäftningskraften kunde förklaras med geometriska parametrar från den morfometriska analysen. Enkelt uttryckt, om ytans grovhet ökar, många av "dalarna" på ytan är inte längre tillgängliga som vidhäftningsställen eftersom de nu är djupare än längden på de fluktuerande molekylerna. Det finns därför en motsvarande minskning av vidhäftningskraften mellan bakteriecellerna och ytan.

Detta är ett viktigt resultat eftersom det antyder att optimering av den nanostrukturerade topografin på en yta kan minimera bakteriell vidhäftning och därmed minska sannolikheten för biofilmbildning. Forskargruppen påpekar att detta resultat även kan appliceras på andra typer av bakterier och på andra typer av ytor. Studiens resultat kan mycket väl bidra till att utveckla nya material och att förbättra befintliga material som bättre kan hämma bakteriell vidhäftning och bildandet av biofilm.

Studien visar också kraften hos Minkowski-funktioner när det gäller att karakterisera topografin hos ett brett spektrum av material. Forskarna tror att den breda tillämpbarheten av morfometrisk analys gör att Minkowski-funktioner i framtiden kommer att användas som guldstandard för att beskriva sådana ytor.