Сила адгезии бактерий не зависит от размера площади контакта

Физики и биологи из Саарландского университета разработали метод измерения площади контакта между бактерией и поверхностью, на которой она находится. Интересно, что большая площадь контакта не обязательно означает большую силу адгезии. Основная причина наблюдаемых различий в адгезии — локальные различия в составе белков клеточной стенки бактерий. Результаты можно использовать для оптимизации антибактериальных материалов. Исследование опубликовано в журнале Nanoscale.

Бактерии вида Staphylococcus aureus — одни из самых распространённых и опасных патогенов. Их эффективность отчасти объясняется способностью прилипать к синтетическим и естественным поверхностям, образуя устойчивые биоплёнки. Эти биоплёнки защищают патогены, затрудняя их удаление с поверхности, что особенно опасно на медицинских имплантатах.

Чтобы понять механизм адгезии, учёные во главе с физиком профессором Карин Джейкобс и микробиологом профессором Маркусом Бишофф решили измерить, какая часть поверхности бактериальной клетки контактирует с субстратом. Поскольку сферические бактерии имеют размер около одного микрометра, обычная световая микроскопия для этого не подходит.

Исследователи использовали свойство бактерий: сила адгезии часто сильно зависит от типа поверхности. Например, изучаемые бактерии лучше прилипают к сильно гидрофобным поверхностям, чем к смачиваемым (гидрофильным). Учёные создали кремниевую поверхность с чередующимися гидрофобными и гидрофильными областями в микроскопическом масштабе.

Адгезионную силу отдельных бактериальных клеток на этой поверхности измерили с помощью атомно-силового микроскопа (силового спектроскопа). Метод заключается в том, чтобы привести клетку в минимальный контакт с поверхностью, а затем измерить силу, необходимую для её отрыва. На гидрофобной части поверхности эта сила примерно в десять раз больше, чем на гидрофильной.

Измеряя силу адгезии клетки при её последовательном перемещении от гидрофобной зоны к границе и в гидрофильную зону, команда смогла определить размер площади контакта бактерии с поверхностью. Метод также применим для измерения адгезионной силы коллоидных частиц.

Исследователи обнаружили, что диаметр (предположительно круглой) площади контакта составляет от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров (тысяча нанометров равна одной тысячной миллиметра). Размер площади контакта может значительно различаться у разных клеток одного вида Staphylococcus aureus. Для сравнения также изучили непатогенный вид Staphylococcus, который прилипает к поверхности гораздо слабее.

Особенно удивительно, что размер площади контакта абсолютно не влияет на силу адгезии между бактериальной клеткой и поверхностью. Также было показано, что, несмотря на сферическую форму, бактерии нельзя описывать просто как твёрдые шарики. Более точное описание — шары, покрытые мягким, лохматым и неровным слоем белков клеточной стенки. Именно этот слой является основным фактором, определяющим адгезию. Выраженная локальная изменчивость адгезионной силы отражает разный состав групп белков клеточной стенки, которые определяют, насколько сильно участок поверхности клетки может прилипать к субстрату.

Этот подход, в принципе, можно применить ко всем другим видам бактериальных патогенов, независимо от их формы (сферической или палочковидной). Результаты могут проложить путь к разработке поверхностей, морфологию которых можно тщательно настраивать, чтобы подавлять адгезию нежелательных патогенов или, наоборот, способствовать адгезии полезных бактерий, например, используемых в очистке сточных вод.