Наноструктуры помогают снизить адгезию бактерий

Ученые показали, как бактерии прилипают к шероховатым поверхностям на микроскопическом уровне. Команда исследователей обнаружила, что точный анализ топографического состава наноструктурированных поверхностей позволяет напрямую определить силы адгезии, связывающие бактерии с поверхностью. Это открытие открывает новые перспективные направления исследований, включая способы борьбы с бактериями, представляющими опасность в клинических условиях. Результаты опубликованы в журнале Nanoscale.

Бактерии Staphylococcus aureus — одна из основных причин внутрибольничных инфекций. Эти патогены особенно проблематичны, потому что могут образовывать высокоустойчивые биопленки как на естественных, так и на искусственных поверхностях, которые очень трудно удалить. Биопленка эффективно защищает отдельные бактерии от воздействия других веществ, например, антибиотиков, что затрудняет лечение. Поэтому один из подходов — попытаться предотвратить само образование биопленок. Но чтобы влиять на рост биопленки, исследователям необходимо понимать механизмы, с помощью которых бактерии прилипают к разным типам материалов.

Поверхности, такие как дверные ручки или медицинские имплантаты, имеют наноразмерный рельеф и широко распространены в больничной среде. Под микроскопом эти, казалось бы, гладкие поверхности проявляются как шероховатый, неровный ландшафт из «гор» и «долин».

В более раннем исследовании команда 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 множество отдельных молекул в клеточной стенке бактерии «привязываются» к поверхности. Размеры этих связующих молекул варьируются из-за тепловых флуктуаций, которые могут вызывать изменения длины примерно на 50 нанометров.

В своем последнем исследовании ученые детально изучили, как адгезионная сила отдельных молекул зависит от топографии поверхности субстрата. Исследовательская группа подготовила кремниевые поверхности с наноструктурами разного размера, но того же порядка величины, что и связующие молекулы в клеточной стенке.

Затем они измерили силы, с которыми отдельные бактериальные клетки прилипали к наноструктурированным поверхностям. Эти эксперименты показали, что адгезионные силы уменьшались с увеличением размера наноструктур. Пока велась экспериментальная работа, математик Майкл А. Клатт из Технологического института Карлсруэ (ныне в Принстонском университете) провел очень точный анализ кремниевых подложек и количественно оценил геометрию поверхности с помощью конкретных математических мер формы, называемых функционалами Минковского. Эта процедура известна как «морфометрия».

Совместная работа команд позволила показать, что величину экспериментально определенной силы адгезии можно объяснить с помощью геометрических параметров из морфометрического анализа. Проще говоря, если шероховатость поверхности увеличивается, многие «долины» на поверхности становятся недоступными в качестве точек адгезии, поскольку они теперь глубже, чем длина флуктуирующих молекул. Следовательно, происходит соответствующее снижение силы адгезии между бактериальными клетками и поверхностью.

Это важный результат, поскольку он предполагает, что оптимизация наноструктурированной топографии поверхности может минимизировать бактериальную адгезию и, таким образом, снизить вероятность образования биопленки. Исследовательская группа отмечает, что этот результат также может быть применен к другим типам бактерий и другим типам поверхностей. Результаты исследования могут помочь в разработке новых материалов и улучшении существующих, которые будут лучше подавлять бактериальную адгезию и образование биопленок.

Исследование также демонстрирует мощь функционалов Минковского в характеристике топографии широкого спектра материалов. Исследователи полагают, что широкая применимость морфометрического анализа означает, что в будущем функционалы Минковского будут использоваться в качестве золотого стандарта для описания таких поверхностей.