Зубной налет и вязкая коричневая слизь в водосточных трубах - два известных примера бактериальных биопленок. Удаление таких бактериальных отложений с поверхностей часто бывает очень трудным, отчасти потому, что они чрезвычайно водоотталкивающие. Группа ученых из Мюнхенского технического университета (TUM) смогла показать, как такие биопленки адаптируют текстуру своей поверхности, чтобы отталкивать воду, подобно листьям.
Бактерии окружают себя оболочкой из самодельных химических строительных блоков (полимеров), чтобы защитить себя от опасностей окружающей среды. Сочетание бактерий и слизи, которую они производят, называется биопленкой. Микроорганизмы, образующие биопленки на поверхностях, разработали хитрые стратегии, которые не позволяют проточной воде смыть их. Это может представлять серьезную проблему не только для водосточных труб, но и для медицинских имплантатов и трубок.
Профессор Оливер Лилег, профессор биомеханики, и его исследовательская группа «Биологические гидрогели» в Мюнхенской школе биоинженерии изучают физические принципы, которые делают бактериальные биопленки такими прочными. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале NPJ Biofilms and Microbiomes, они точно измерили поверхности биопленок с помощью конфокальной отражательной световой микроскопии.
Снабжение питательными веществами определяет поверхность биопленок
«Нашим первым осознанием было то, что не все биопленки одинаковы, даже если они производятся одной и той же бактерией», - говорит Оливер Лилег. Исследователи обнаружили, что почвенная бактерия Bacillus subtilis может образовывать биопленки с очень разными свойствами: в некоторых случаях капли воды почти мгновенно распространяются по поверхности. В других случаях они скатываются с поверхности или цепляются за поверхность в виде сферических шариков, даже если поверхность наклонена вертикально.
Команда показала, что микроорганизмы используют приемы из растительного мира, а именно водоотталкивающие свойства листьев лотоса и розы. Лилег и его команда обнаружили, что структура поверхности бактериальных пленок действительно очень похожа на структуру листьев растений. Как и листья, биопленки также имеют шероховатую структуру как в микрометровом, так и в нанометровом масштабе, что делает их устойчивыми к смачиванию водой.
Однако листья растений и биопленки различаются в этом отношении: когда присутствует эффект лотоса, маленькие пузырьки воздуха задерживаются между каплей воды и поверхностью листа, тогда как при эффекте лепестка розы этого не происходит.. Вот почему капли воды скатываются с листьев лотоса, но прилипают к лепесткам роз. Будет ли биопленка вести себя больше как лист лотоса или лепесток розы, зависит от питательных веществ, доступных бактериям во время роста, поскольку это определяет точную структуру поверхности биопленки.
Новый подход к борьбе с биопленками
Бактерии в биопленках часто трудно убить с помощью антибиотиков и других химикатов. Отчасти в этом виновата растущая распространенность резистентности бактерий. Теперь исследователи предлагают заняться водоотталкивающими свойствами биопленок: «Антибактериальное вещество не может работать, если оно не может достичь поверхности биопленки, потому что она скатывается. Таким образом, нам нужно изменить эту водоотталкивающую текстуру поверхности», - Оливер. - объясняет Лилег. «Это будет новый подход к удалению биопленок с таких поверхностей, как трубки, катетеры и инфицированные раны».