Wetenschappers hebben aangetoond hoe bacteriën zich op microscopisch niveau hechten aan ruwe oppervlakken. Nu heeft een team van onderzoekers ontdekt dat nauwkeurige analyse van de topografische samenstelling van nanogestructureerde oppervlakken een directe manier is om de adhesiekrachten af ​​te leiden die bacteriën aan een oppervlak binden. Deze ontdekking heeft veelbelovende nieuwe wegen geopend voor onderzoek, inclusief manieren om de bacteriën te bestrijden die zo gevaarlijk zijn in klinische omgevingen. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift nanoschaal .

Staphylococcus aureus-bacteriën zijn een van de belangrijkste oorzaken van ziekenhuisinfecties. Deze pathogenen zijn bijzonder problematisch omdat ze zeer robuuste biofilms kunnen vormen op zowel natuurlijke als kunstmatige oppervlakken en zeer moeilijk te verwijderen zijn. De biofilm beschermt de individuele bacteriën effectief tegen aantasting door andere stoffen, zoals antibiotica, waardoor ze erg moeilijk te behandelen zijn. Een benadering is daarom om te proberen de vorming van biofilms in de eerste plaats te voorkomen. Maar om biofilmgroei te kunnen beïnvloeden, onderzoekers moeten de mechanismen begrijpen waarmee de bacteriën zich aan verschillende soorten materialen hechten. Oppervlakken zoals deurklinken of medische implantaten hebben topografieën op nanoschaal en zijn wijdverbreid in ziekenhuisomgevingen. Onder de microscoop, deze ogenschijnlijk gladde oppervlakken verschijnen als ruw, onregelmatige landschappen van bergen en valleien.

In een eerdere studie, het team van de Universiteit van Saarland, onder leiding van experimenteel natuurkundige professor Karin Jacobs en microbioloog professor Markus Bischoff, ontdekte dat de bacteriën zich aan vaste oppervlakken hechten door een mechanisme waarbij talrijke individuele moleculen in de bacteriële celwand aan het oppervlak worden vastgemaakt. De afmetingen van deze tethering-moleculen variëren als gevolg van thermische fluctuaties die lengteveranderingen van ongeveer 50 nanometer kunnen veroorzaken.

In hun meest recente onderzoek de wetenschappers hebben een gedetailleerd onderzoek gedaan naar hoe de kleefkracht van individuele moleculen afhangt van de topografie van het substraatoppervlak. Het onderzoeksteam bereidde siliciumoppervlakken voor met nanostructuren van verschillende groottes, maar van dezelfde orde van grootte als de bindmoleculen in de celwand.

Vervolgens maten ze de krachten waarmee de individuele bacteriecellen zich aan de nanogestructureerde oppervlakken hechtten. Deze experimenten toonden aan dat de adhesiekrachten afnamen met toenemende grootte van de nanostructuren. Terwijl het experimentele werk werd uitgevoerd, de wiskundige Michael A. Klatt van het Karlsruhe Institute of Technology (nu aan de Princeton University) voerde een zeer nauwkeurige analyse uit van de siliciumsubstraten en kwantificeerde de oppervlaktegeometrieën met behulp van specifieke wiskundige vormmetingen die Minkowski-functionalen worden genoemd. De procedure staat bekend als 'morfometrie'.

Samenwerken, de teams konden aantonen dat de grootte van de experimenteel bepaalde houdkracht kon worden verklaard met behulp van geometrische parameters uit de morfometrische analyse. Simpel gezegd, als de ruwheid van het oppervlak toeneemt, veel van de 'dalen' aan de oppervlakte zijn niet langer beschikbaar als adhesieplaatsen omdat ze nu dieper zijn dan de lengte van de fluctuerende moleculen. Er is dus een overeenkomstige vermindering van de hechtkracht tussen de bacteriecellen en het oppervlak.

Dit is een belangrijk resultaat omdat het suggereert dat het optimaliseren van de nanogestructureerde topografie van een oppervlak bacteriële adhesie kan minimaliseren en zo de kans op biofilmvorming kan verkleinen. Het onderzoeksteam wijst erop dat dit resultaat ook kan worden toegepast op andere soorten bacteriën en op andere soorten oppervlakken. De bevindingen van het onderzoek kunnen helpen om nieuwe materialen te ontwikkelen en om bestaande materialen te verbeteren die beter in staat zijn om bacteriële hechting en de vorming van biofilms te remmen.

De studie toont ook de kracht van Minkowski-functionalen aan bij het karakteriseren van de topografie van een breed scala aan materialen. De onderzoekers zijn van mening dat de brede toepasbaarheid van morfometrische analyse betekent dat in de toekomst Minkowski-functionalen zullen worden gebruikt als de gouden standaard voor het beschrijven van dergelijke oppervlakken.