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Lo studio mostra perché le celle batteriche si comportano diversamente sui tipi differenti di superfici

Questi risultati dagli studi sia nella fisica sperimentale che teorica possono contribuire a migliorare le superfici antibatteriche. Il lavoro di ricerca recentemente è stato pubblicato nel giornale “Nanoscale„.

I batteri di staphylococcus aureus sono una della maggior parte delle cause comuni delle infezioni acquistate dai pazienti durante la degenza in ospedale.

Questi agenti patogeni sono particolarmente problematici perché possono formare i biofilms robusti sia sulle superfici naturali che artificiali da cui sono molto difficili da eliminare.

I diversi batteri all'interno di questi biofilms sono efficacemente protetti dall'attacco dagli antibiotici o dal sistema immunitario umano. Ecco perché può essere così pericoloso quando questi batteri colonizzano gli innesti medici mentre possono poi causare le infezioni postoperatorie serie.„

Karin Jacobs, il professor, fisica sperimentale, università di Saarland

È quindi cruciale provare ed impedire questi biofilms la formazione in primo luogo.

Tuttavia, per potere influenzare la crescita del biofilm, i ricercatori hanno dovuto capire i meccanismi da cui i batteri aderiscono ai materiali differenti.

Facendo uso di un microscopio atomico della forza di scansione, hanno sollecitato le celle batteriche minuscole sui tipi differenti di superfici e poi hanno determinato la forza stata necessaria per sollevare le celle aderite dalla superficie.

Questa configurazione sperimentale ha permesso che i ricercatori registrassero che cosa sono conosciuti come curve di forza-distanza. 'Abbiamo usato le superfici estremamente regolari del silicio come superfici di modello. In una serie di esperimenti, le superfici del silicio sono state preparate in modo che avessero alta acqua bagnabilità; in un'altra serie di esperimenti sono state trattate per essere altamente idrofobe.

Potevamo indicare che le celle batteriche hanno aderito molto più forte alle superfici idrofobe, da cui l'acqua ha laminato semplicemente fuori, che sulle superfici (acqua bagnabili) idrofile, 'spieghiamo Karin Jacobs.

Ma non è appena la grandezza delle forze che differiscono fra i due tipi di superficie, così anche fa le forme delle curve di forza-distanza (si veda la figura). “Sulle superfici idrofobe, vediamo molto le curve regolari con una forma caratteristica della tazza. Sulle superfici idrofile, al contrario, osserviamo le curve di forza-distanza con un profilo molto dentellato,„ dice il professor Jacobs.

Per capire questi risultati, la dinamica di questi sistemi complessi è stata modellata facendo uso delle simulazioni che sono state effettuate nel gruppo di ricerca piombo dal professor Ludger Santen, professore di Monte Carlo di fisica teorica all'università di Saarland.

Il modello tratta la cella batterica come sfera rigida e le molecole nella parete cellulare che legano la cella alla superficie come sorgenti minuscole. 'Risulta che per riprodurre i risultati sperimentali, il ruolo svolto dalla natura (stocastica) casuale del trattamento obbligatorio molecolare è più importante del provando ad aumentare la complessità del modello.

Ora abbiamo scoperto perché le celle dei batteri si comportano così diversamente sui tipi differenti di superfici. Sulle superfici idrofobe, le tantissime proteine della parete cellulare aderiscono alla superficie, che provoca una forte forza vincolante e rende una curva liscia di forza-distanza, 'spiega Ludger Santen.

Al contrario, su una superficie idrofila, ben meno proteine della parete cellulare sono comprese nella legatura del batterio alla superficie. Di conseguenza, i batteri sono giudicati di meno forte sulla superficie e la forma della curva di forza-distanza è meno uniforme.

“La forma dentellata delle curve che vediamo con le superfici idrofile è causata da alcune diverse molecole della parete cellulare mentre sono tirati dalla superficie. Poiché meno proteine della parete cellulare sono implicate, i batteri legano forte di meno alle superfici idrofile,„ dice Erik Maikranz, che ha effettuato le simulazioni di Monte Carlo come componente del suo lavoro di ricerca di laurea.

dovuto le forme differenti della forza-distanza curva, i fisici suppongono che su una superficie idrofila meno proteine della parete cellulare siano comprese nel trattamento obbligatorio perché queste molecole in primo luogo devono superare una barriera potenziale, che efficacemente diminuisce il numero delle macromolecole della proteina che possono legare la cella alla superficie.

“La barriera potenziale ad aderenza sulle superfici idrofile è relativamente alta, così soltanto alcune delle proteine della parete cellulare può superare questa barriera di energia in un tempo particolare. Sulle superfici idrofobe, tuttavia, la barriera è in modo trascurabile piccola, di modo che molte proteine della parete cellulare possono aderire direttamente alla superficie,„ spiega il Dott. Christian Spengler, che ha eseguito gli esperimenti nello studio.

Source:
Journal reference:

Maikranz, E., et al. (2020) Different binding mechanisms of Staphylococcus aureus to hydrophobic and hydrophilic surfaces. Nanoscale. doi.org/10.1039/D0NR03134H.