Почему больничные микробы сильнее прилипают к одним поверхностям, чем к другим?

Исследования в области экспериментальной и теоретической физики могут помочь в создании улучшенных антибактериальных поверхностей. Работа была недавно опубликована в журнале Nanoscale.

Бактерии Staphylococcus aureus — одна из самых частых причин внутрибольничных инфекций. Они особенно опасны, так как образуют прочные биоплёнки на естественных и искусственных поверхностях, которые очень трудно удалить. «Отдельные бактерии внутри таких биоплёнок эффективно защищены от антибиотиков и иммунной системы. Поэтому колонизация медицинских имплантатов может привести к серьёзным послеоперационным инфекциям», — объясняет профессор экспериментальной физики Саарского университета Карин Якобс. Важно предотвратить само образование биоплёнок.

Чтобы влиять на рост биоплёнок, необходимо понять механизмы прилипания бактерий к разным материалам. Используя атомно-силовой микроскоп, учёные прижимали бактериальные клетки к различным поверхностям и измеряли силу, необходимую для их отрыва. Это позволило получить так называемые кривые «сила–расстояние». «В качестве модельных поверхностей мы использовали очень гладкий кремний. Одни поверхности были гидрофильными (смачиваемыми водой), другие — гидрофобными. Мы показали, что бактериальные клетки прилипали к гидрофобным поверхностям гораздо сильнее, чем к гидрофильным», — говорит Карин Якобс.

Различалась не только сила сцепления, но и форма кривых «сила–расстояние». «На гидрофобных поверхностях мы видим очень гладкие кривые с характерной чашеобразной формой. На гидрофильных поверхностях кривые имеют зубчатый профиль», — отмечает профессор Якобс.

Чтобы понять эти результаты, динамику сложных систем смоделировали с помощью метода Монте-Карло в группе профессора теоретической физики Людгера Зантена. В модели бактериальная клетка рассматривалась как жёсткая сфера, а молекулы в её стенке, связывающие клетку с поверхностью, — как крошечные пружины. «Оказалось, что для воспроизведения экспериментальных результатов ключевую роль играет случайная (стохастическая) природа процесса молекулярного связывания. Мы выяснили, почему бактериальные клетки ведут себя по-разному на разных типах поверхностей. На гидрофобных поверхностях к поверхности прилипает большое количество белков клеточной стенки, что приводит к сильной силе сцепления и гладкой кривой», — поясняет Людгер Зантен.

На гидрофильной поверхности за связывание отвечает гораздо меньше белков клеточной стенки. В результате бактерии удерживаются слабее, а форма кривой менее однородна. «Зубчатая форма кривых на гидрофильных поверхностях вызвана разрывом отдельных молекул клеточной стенки при отрыве. Поскольку задействовано меньше белков, бактерии слабее связываются с гидрофильными поверхностями», — говорит Эрик Майкранц, проводивший симуляции в рамках докторской работы.

Из-за разной формы кривых физики предполагают, что на гидрофильной поверхности в процесс связывания вовлечено меньше белков, потому что этим молекулам сначала необходимо преодолеть потенциальный барьер. «Потенциальный барьер для адгезии на гидрофильных поверхностях относительно высок, поэтому за определённое время его могут преодолеть лишь немногие белки клеточной стенки. На гидрофобных поверхностях барьер ничтожно мал, поэтому многие белки могут прилипать к поверхности напрямую», — объясняет доктор Кристиан Шпенглер, проводивший эксперименты.