Modell av vidhäftningsmekanismen genom vilken bakterien Staphylococcus aureus binder till hydrofoba ('lågenergi') ytor (vänster) jämfört med hydrofila ('högenergi') ytor (höger). Till vänster, ett stort antal cellväggsmolekyler (visas här som små kompressibla fjädrar) är involverade i att binda cellen till den hydrofoba ytan. På den hydrofila ytan som visas till höger, mycket färre molekyler är inblandade. Resultaten erhölls av ett team av experimentella och teoretiska fysiker vid Saarlands universitet som utförde beräkningsmässiga Monte Carlo-simuleringar av kraft-avståndsdata från atomkraftmikroskopiexperiment. Kredit:Saarlands universitet
Resultat från studier inom både experimentell och teoretisk fysik kan hjälpa till att förbättra antibakteriella ytor. Forskningsarbetet publicerades nyligen i tidskriften Nanoskala .
Staphylococcus aureus bakterier är en av de vanligaste orsakerna till infektioner som patienter får under en vistelse på sjukhus. Dessa patogener är särskilt problematiska eftersom de kan bilda robusta biofilmer på både naturliga och konstgjorda ytor från vilka de är mycket svåra att ta bort. "De enskilda bakterierna i dessa biofilmer är effektivt skyddade från attacker av antibiotika eller av det mänskliga immunsystemet. Det är därför det kan vara så farligt när dessa bakterier koloniserar medicinska implantat eftersom de sedan kan orsaka allvarliga postoperativa infektioner, " förklarar Karin Jacobs, Professor i experimentell fysik vid Saarlands universitet. Det är därför avgörande att försöka förhindra att dessa biofilmer bildas i första hand.
Dock, för att kunna påverka biofilmtillväxt, forskarna var tvungna att förstå med vilka mekanismer bakterierna fäster vid olika material. Med hjälp av ett skanande atomkraftmikroskop, de tryckte de små bakteriecellerna på olika typer av ytor och bestämde sedan kraften som behövdes för att lyfta de vidhäftade cellerna från ytan. Denna experimentella konfiguration gjorde det möjligt för forskarna att spela in vad som kallas kraft-distanskurvor. "Vi använde extremt släta silikonytor som modellytor. I en uppsättning experiment, kiselytorna preparerades så att de hade hög vattenvätbarhet; i en annan uppsättning experiment behandlades de för att vara mycket hydrofoba. Vi kunde visa att bakteriecellerna fäste mycket starkare till de hydrofoba ytorna, varifrån vattnet helt enkelt rullade av, än på de hydrofila (vattenvätbara) ytorna, " förklarar Karin Jacobs.
Men det är inte bara storleken på krafterna som skiljer sig åt mellan de två yttyperna, det gör också formerna på kraft-avståndskurvorna (se figur). "På de hydrofoba ytorna, vi ser mycket släta kurvor med en karakteristisk skålform. På de hydrofila ytorna, i kontrast, vi observerar kraft-avståndskurvor med en mycket taggig profil, säger professor Jacobs.
För att förstå dessa resultat, dynamiken i dessa komplexa system modellerades med Monte Carlo-simuleringar som utfördes i forskargruppen ledd av professor Ludger Santen, Professor i teoretisk fysik vid Saarlands universitet. Modellen behandlar bakteriecellen som en stel sfär och molekylerna i cellväggen som binder cellen till ytan som små fjädrar. "Det visar sig att för att reproducera experimentresultaten, rollen som den slumpmässiga (stokastiska) naturen hos den molekylära bindningsprocessen spelar är viktigare än att försöka öka modellens komplexitet. Vi har nu upptäckt varför bakteriecellerna beter sig så olika på olika typer av ytor. På hydrofoba ytor, ett stort antal av cellväggsproteinerna fäster på ytan, vilket resulterar i en stark bindningskraft och ger en jämn kraft-avståndskurva, " förklarar Ludger Santen.
I kontrast, på en hydrofil yta, mycket färre cellväggsproteiner är involverade i att binda bakterien till ytan. Som ett resultat, bakterierna hålls mindre starkt på ytan och formen på kraft-avståndskurvan är mindre enhetlig. "Den taggiga formen på kurvorna som vi ser med hydrofila ytor orsakas av ett fåtal individuella cellväggsmolekyler när de dras från ytan. Eftersom färre cellväggsproteiner är inblandade, bakterierna binder mindre starkt till hydrofila ytor, säger Erik Maikranz, som utförde Monte Carlo-simuleringarna som en del av sitt doktorandforskningsarbete.
På grund av kraft-avståndskurvornas olika former, fysikerna antar att på en hydrofil yta är färre cellväggsproteiner involverade i bindningsprocessen eftersom dessa molekyler först måste övervinna en potentiell barriär, vilket effektivt minskar antalet proteinmakromolekyler som kan binda cellen till ytan. "Den potentiella barriären mot vidhäftning på hydrofila ytor är relativt hög, så endast ett fåtal av cellväggsproteinerna kan övervinna denna energibarriär under en viss tid. På hydrofoba ytor, dock, barriären är försumbar liten, så att många cellväggsproteiner kan fästa direkt på ytan, " förklarar Dr Christian Spengler, som utförde experimenten i studien.