Сила прилипания золотистого стафилококка распределена по клеточной оболочке неравномерно

Инфекции, вызываемые бактерией Staphylococcus aureus, ежегодно приводят к гибели десятков тысяч пациентов в больницах. Для борьбы с распространением таких "супербактерий" необходимы не только новые антибиотики, но и понимание того, как микробы прикрепляются к поверхностям, таким как катетеры и имплантаты.

Исследователи из Саарского университета и Университетской клиники Саара разработали инновационный подход для изучения адгезии бактерий. Их работа опубликована в журнале Soft Matter.

Метод single cell force spectroscopy (SCFS) позволяет прикрепить живую бактерию к пружинящему кантилеверу, аккуратно прижать её к поверхности, а затем измерить силу (порядка нескольких наньютонов), необходимую для отрыва.

В предыдущих работах команда установила, что площадь контакта бактерии с плоской поверхностью составляет 150–300 нанометров в диаметре. В новом исследовании бактерию помещали на синусоидально-гофрированную ("морщинистую") поверхность, предоставленную Техническим университетом Дрездена. Это позволило картировать силу адгезии почти по всей нижней половине клетки.

Результаты показали, что:

• Сила адгезии значительно варьируется от клетки к клетке.
• Она не распределена равномерно по клеточной оболочке бактерии.

Для интерпретации данных доктор Михаэль Клатт разработал геометрические модели поверхности бактерии. Наилучшее соответствие экспериментальным кривым "сила-расстояние" показала модель с 3–6 участками адгезии диаметром около 250 нм каждый, распределёнными по оболочке как можно шире.

Эксперименты также выявили, что даже вне этих высокоадгезивных участков сила сцепления в "долинах" (минимумах поверхности) примерно вдвое выше, чем в окружающих областях. Сила адгезии резко падает при выходе клетки из "долины".

Численное моделирование ("Монте-Карло"), проведённое доктором Эриком Майкранцем, показало, что сила, необходимая для отрыва клетки, зависит не только от площади контакта, но и от угла, под которым действует сила адгезии между бактерией и субстратом.

На гофрированной поверхности:

• На пике площадь контакта мала, и сила отрыва обычно невелика (если только пик не совпадает с высокоадгезивным участком).
• На склоне долины площадь контакта больше, но угол взаимодействия велик, поэтому вертикальная компонента силы адгезии (которую измеряет SCFS) всё ещё мала.
• На дне долины площадь контакта максимальна (кривизны бактерии и долины совпадают), а угол взаимодействия мал, поэтому большая часть силы адгезии действует вертикально, и сила отрыва максимальна.

Таким образом, новое исследование объясняет, почему сила адгезии у бактерий одного вида на одном материале может так сильно различаться. Теперь можно определить не только типичное значение силы, но и её вариацию по поверхности клетки, а также влияние структурированного субстрата.

На молекулярном уровне локальное увеличение адгезии в участках оболочки может быть связано с кластерами адгезинов — поверхностных компонентов, облегчающих прикрепление. Для сферических бактерий, таких как S. aureus, это выгодно: они могут "катиться" по поверхности при слабом потоке, пока один из сильных участков адгезии не зацепится за субстрат, надёжно заякорив клетку.

Это преимущество может усиливаться на живых поверхностях, где бактерия может связываться с лигандами тканей хозяина или биоматериала.

Полученные результаты фундаментального исследования важны для разработки новых материалов и планирования будущих работ по бактериальной адгезии. Они открывают новые возможности в биомедицинских исследованиях и в перспективе могут помочь значительно снизить количество инфекций, связанных с катетерами и медицинскими имплантатами.