Бактерии Staphylococcus aureus являются одной из основных причин внутрибольничных инфекций. Эти патогены представляют особую проблему, поскольку они могут образовывать очень прочные биопленки как на естественных, так и на искусственных поверхностях, и их очень трудно удалить. Биопленка эффективно защищает отдельные бактерии от воздействия других веществ, таких как антибиотики, что делает их очень трудными для лечения. Таким образом, один из подходов состоит в том, чтобы попытаться остановить формирование биопленок в первую очередь. Но чтобы иметь возможность влиять на рост биопленки, исследователям необходимо понять механизмы, с помощью которых бактерии прикрепляются к различным типам материалов. Поверхности, такие как дверные ручки или медицинские имплантаты, имеют наноразмерную топографию (1 нанометр=одна миллиардная часть метра) и широко распространены в больницах. Под микроскопом эти кажущиеся гладкими поверхности выглядят как неровные пейзажи гор и долин.
В более раннем исследовании группа из Саарского университета под руководством физика-экспериментатора профессора Карин Джейкобс и микробиолога профессора Маркуса Бишоффа обнаружила, что бактерии прикрепляются к твердым поверхностям с помощью механизма, при котором многочисленные отдельные молекулы в бактериальной клеточной стенке привязываться к поверхности. Размеры этих связывающих молекул меняются из-за тепловых флуктуаций, которые могут вызывать изменения длины примерно на 50 нанометров.
В своем последнем исследовании ученые подробно изучили, как сила сцепления отдельных молекул зависит от топографии поверхности подложки. Исследовательская группа подготовила кремниевые поверхности, демонстрирующие наноструктуры разных размеров, но того же порядка величины, что и связывающие молекулы в клеточной стенке.
Затем они измерили силы, с которыми отдельные бактериальные клетки прикреплялись к наноструктурным поверхностям. Эти эксперименты показали, что силы сцепления уменьшаются с увеличением размера наноструктур. Пока выполнялась экспериментальная работа, математик Майкл А. Клатт из Технологического института Карлсруэ (ныне Принстонский университет) провел очень точный анализ кремниевых подложек и количественно оценил геометрию поверхности, используя определенные математические меры формы, называемые функционалами Минковского. Процедура известна как «морфометрия».
Работая вместе, группы смогли показать, что величину экспериментально определенной адгезионной силы можно объяснить с помощью геометрических параметров морфометрического анализа. Проще говоря, если шероховатость поверхности увеличивается, многие из «впадин» на поверхности больше не могут использоваться в качестве мест прилипания, поскольку теперь они глубже, чем длина флуктуирующих молекул. Следовательно, происходит соответствующее снижение адгезионной силы между бактериальными клетками и поверхностью.
Это важный результат, поскольку он предполагает, что оптимизация наноструктурной топографии поверхности может свести к минимуму бактериальную адгезию и, таким образом, снизить вероятность образования биопленки. Исследовательская группа отмечает, что этот результат можно применить и к другим типам бактерий и к другим типам поверхностей. Результаты исследования вполне могут помочь в разработке новых материалов и улучшении существующих материалов, которые лучше способны ингибировать бактериальную адгезию и образование биопленок.
Исследование также демонстрирует силу функционалов Минковского в характеристике топографии широкого спектра материалов. Исследователи считают, что широкая применимость морфометрического анализа означает, что в будущем функционалы Минковского будут использоваться в качестве золотого стандарта для описания таких поверхностей.