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El estudio muestra porqué las células bacterianas se comportan diferentemente en diversos tipos de superficies

Estos resultados de estudios en la física experimental y teórica pueden ayudar a perfeccionar superficies antibacterianas. El trabajo de investigación fue publicado recientemente en el gorrón “Nanoscale”.

Las bacterias del estafilococo áureo son una de las causas mas comunes de las infecciones detectadas por los pacientes durante un retén en hospital.

Estos patógeno son determinado problemáticos porque pueden formar biofilms robustos en las superficies naturales y artificiales de las cuales son muy difíciles de quitar.

Las bacterias individuales dentro de estos biofilms son protegidas eficazmente contra ataque por los antibióticos o por el sistema inmune humano. Por eso puede ser tan peligroso cuando estas bacterias colonizan los implantes médicos mientras que pueden entonces causar infecciones postoperatorias serias.”

Karin Jacobs, profesor, la física experimental, universidad del Sarre

Es por lo tanto crucial intentar y evitar que estos biofilms formen en el primer lugar.

Sin embargo, para poder influenciar incremento del biofilm, los investigadores tuvieron que entender los mecanismos por los cuales las bacterias se adhieren a diversos materiales.

Usando un microscopio atómico de la fuerza de la exploración, prensaron las células bacterianas minuciosas sobre diversos tipos de superficies y después determinaron la fuerza necesaria para levantar las células adheridas de la superficie.

Esta configuración experimental permitió que los investigadores registraran qué se conocen como curvas de la fuerza-distancia. 'Utilizamos superficies extremadamente lisas del silicio como superficies modelo. En un equipo de experimentos, las superficies del silicio fueron preparadas de modo que tuvieran alta agua-mojabilidad; en otro equipo de experimentos fueron tratadas para ser altamente hidrofóbicas.

Podíamos mostrar que las células bacterianas se adhirieron lejos más fuertemente a las superficies hidrofóbicas, de las cuales agua caída simple, que en las superficies (agua-mojables) hidrofílicas, 'explicamos a Karin Jacobs.

Pero no es apenas la magnitud de las fuerzas que difieren entre los dos tipos superficiales, hace tan también las formas de las curvas de la fuerza-distancia (véase la figura). “En las superficies hidrofóbicas, vemos curvas muy lisas con una forma característica de la copa. En las superficies hidrofílicas, en cambio, observamos curvas de la fuerza-distancia con un perfil muy dentado,” dice a profesor Jacobs.

Para entender estos resultados, las dinámicas de estos sistemas complejos fueron modeladas usando las simulaciones que fueron realizadas en el grupo de investigación llevado por profesor Ludger Santen, profesor de Monte Carlo de la física teórica en la universidad del Sarre.

El modelo trata la célula bacteriana como esfera rígida y las moléculas en la pared celular que atan la célula a la superficie como muelles minuciosos. 'Resulta que para reproducir los resultados experimentales, el papel desempeñado por la naturaleza (estocástica) al azar del proceso obligatorio molecular es más importante que intentando aumentar la complejidad del modelo.

Ahora hemos destapado porqué las células de las bacterias se comportan tan diferentemente en diversos tipos de superficies. En superficies hidrofóbicas, un gran número de las proteínas de la pared celular se adhieren a la superficie, que da lugar a una fuerza de enlace fuerte y rinde una curva lisa de la fuerza-distancia, 'explican a Ludger Santen.

En cambio, en una superficie hidrofílica, menos proteínas de la pared celular están implicadas lejos en atar la bacteria a la superficie. Como consecuencia, las bacterias se esperan menos fuertemente en la superficie y la forma de la curva de la fuerza-distancia es menos uniforme.

“La forma dentada de las curvas que vemos con las superficies hidrofílicas es causada por algunas moléculas individuales de la pared celular mientras que los tiran de la superficie. Porque menos proteínas de la pared celular están implicadas, las bacterias atan menos fuertemente a las superficies hidrofílicas,” dice a Erik Maikranz, que realizó las simulaciones de Monte Carlo como parte de su trabajo de investigación doctoral.

Debido a las diversas formas de la fuerza-distancia curva, los físicos suponen que en una superficie hidrofílica menos proteínas de la pared celular están implicadas en el proceso obligatorio porque estas moléculas primero tienen que superar una barrera potencial, que reduce efectivo el número de macromoléculas de la proteína que puedan atar la célula a la superficie.

“La barrera potencial a la adherencia en superficies hidrofílicas es relativamente alta, tan solamente algunas de las proteínas de la pared celular puede superar esta barrera de energía en un rato determinado. En superficies hidrofóbicas, sin embargo, la barrera es pequeña, de modo que muchas proteínas de la pared celular puedan adherirse directamente a la superficie,” explica insignificante al Dr. Christian Spengler, que realizó los experimentos en el estudio.

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Journal reference:

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