Бактерии вида Staphylococcus aureus являются одними из самых распространенных и опасных патогенов современности. Одной из причин их эффективности является их способность прилипать как к синтетическим, так и к натуральным поверхностям, где они образуют очень стойкие биопленки. Эти биопленки эффективно защищают отдельные патогены, что затрудняет их удаление с поверхности. Вот почему так опасаются их присутствия на медицинских имплантатах и почему они являются основной причиной послеоперационной инфекции. Таким образом, одним из подходов к предотвращению инфекции является предотвращение образования биопленки. Но чтобы иметь возможность влиять на рост биопленки, ученым необходимо понять механизм, с помощью которого бактерии прилипают к поверхностям.
Например, было бы полезно знать, какая часть площади поверхности отдельной бактериальной клетки фактически находится в контакте с поверхностью. Однако, поскольку диаметр этих сферических бактерий составляет всего микрометр (около одной сотой толщины человеческого волоса), маловероятно, что для определения площади контакта можно было бы использовать обычную световую микроскопию..
Поэтому команда Саарского университета под руководством физика-экспериментатора профессора Карин Якобс и микробиолога профессора Маркуса Бишоффа использовала еще одно свойство бактерий, а именно то, что сила адгезии, проявляемая разными видами бактерий, часто сильно зависит от Тип поверхности, на которой он расположен. Например, бактерии, которые были в центре внимания настоящего исследования, намного эффективнее прилипают к сильно гидрофобным поверхностям, чем к смачиваемым (гидрофильным) поверхностям. Поэтому исследователи создали поверхность на основе кремния, которая обладала обоими свойствами - сильной гидрофобностью в одной области и высокой смачиваемостью в другой - на чрезвычайно малой площади. Адгезионная сила, оказываемая отдельными бактериями на эту специально подготовленную поверхность, затем измерялась с помощью сканирующего атомно-силового микроскопа, известного как силовой спектроскоп. Метод включает в себя минимальный контакт одной бактериальной клетки с поверхностью, а затем измерение силы, необходимой для отделения бактерии от этой поверхности. Это сила сцепления.
На гидрофобной (буквально «ненавидящей воду») части поверхности сила примерно в десять раз больше, чем необходимая, когда бактериальная клетка прилипает к гидрофильной («любящей воду») области. Затем эту процедуру повторяют с бактериальной клеткой, расположенной последовательно ближе к границе между гидрофобной и гидрофильной областями, затем измеряют силу с бактерией, расположенной на самой границе, и, наконец, с бактерией, расположенной в чисто гидрофильной зоне, где адгезионная сила в самом слабом. Данные измерений, связывающие силу сцепления отдельной клетки с ее точным положением на специально изготовленной поверхности и, следовательно, со смачиваемостью поверхности, позволили исследовательской группе из Саарбрюккена определить размер площади контакта между бактерией и поверхностью.. Этот метод также можно использовать для других измерений, таких как определение силы сцепления коллоидных частиц, которые также имеют сферическую форму.
Исследовательская группа обнаружила, что диаметр контактной площадки, которая предполагалась круглой, составляет от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров (тысяча нанометров эквивалентна одной тысячной миллиметра). и что размер области контакта может значительно различаться между различными отдельными клетками одного и того же вида Staphylococcus aureus. В целях сравнения также был изучен непатогенный представитель рода Staphylococcus, который гораздо менее прочно прилипает к поверхности, чем патогенный Staphylococcus aureus.
Особенно поразительно, что размер площади контакта абсолютно не влияет на силу адгезии между бактериальной клеткой и поверхностью. Исследователи также смогли продемонстрировать, что, несмотря на их сферическую форму, бактерии нельзя описать просто как твердые сферы, когда они взаимодействуют с поверхностью. Более точное описание состоит в том, чтобы думать о них как о шариках, покрытых мягким, мохнатым и неровным покрытием из белков клеточной стенки, и что это покрытие является основным фактором, определяющим адгезию между клеткой и поверхностью. Выраженная локальная изменчивость адгезионной силы отражает различный состав групп белков клеточной стенки, которые определяют, насколько сильно область клеточной поверхности способна прикрепляться к поверхности.
Подход, использованный в исследовании, в принципе может быть применен ко всем другим видам бактериальных патогенов, независимо от того, имеют ли они сферическую или палочковидную форму. Результаты вполне могут проложить путь к разработке поверхностей, морфология которых может быть тщательно отрегулирована для изменения этих адгезионных сил, тем самым подавляя адгезию нежелательных бактериальных патогенов или, наоборот, стимулируя адгезию бактерий, таких как те, которые используются при удалении отходов, чья присутствие желательно.