Los científicos han demostrado cómo las bacterias se adhieren a las superficies rugosas a nivel microscópico. El equipo descubrió que el análisis preciso de la composición topográfica de las superficies nanoestructuradas proporciona un medio directo para derivar las fuerzas adhesivas que unen las bacterias a la superficie. Este descubrimiento ha abierto nuevas y prometedoras vías de investigación, incluidas formas de combatir las bacterias que son tan peligrosas en entornos clínicos.
En un estudio anterior, el equipo de la Universidad de Saarland, dirigido por el físico experimental Profesor Karin Jacobs y el microbiólogo Profesor Markus Bischoff, descubrió que las bacterias se adhirieron a superficies sólidas mediante un mecanismo en el que numerosas moléculas individuales en la pared celular bacteriana se unen a la superficie . Las dimensiones de estas moléculas de anclaje varían debido a fluctuaciones térmicas que pueden inducir cambios de longitud de alrededor de 50 nanómetros.
En su estudio más reciente, los científicos realizaron un examen detallado de cómo la fuerza adhesiva de las moléculas individuales depende de la topografía de la superficie del sustrato. El equipo de investigación preparó superficies de silicio que exhiben nanoestructuras de diferentes tamaños pero del mismo orden de magnitud que las moléculas de anclaje en la pared celular.
Luego midieron las fuerzas con las que las células bacterianas individuales se adhirieron a las superficies nanoestructuradas. Estos experimentos mostraron que las fuerzas adhesivas disminuían con el aumento del tamaño de las nanoestructuras. Mientras se realizaba el trabajo experimental, el matemático Michael A. Klatt del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (ahora en la Universidad de Princeton) realizó un análisis muy preciso de los sustratos de silicio y cuantificó las geometrías de la superficie utilizando medidas de forma matemática específicas llamadas funciones de Minkowski. El procedimiento se conoce como 'morfometría'.
Trabajando juntos, los equipos pudieron demostrar que la magnitud de la fuerza adhesiva determinada experimentalmente podría explicarse utilizando parámetros geométricos del análisis morfométrico. En pocas palabras, si la rugosidad de la superficie aumenta, muchos de los 'valles' en la superficie ya no están disponibles como sitios de adhesión, ya que ahora son más profundos que la longitud de las moléculas fluctuantes. Por lo tanto, existe una reducción correspondiente en la fuerza adhesiva entre las células bacterianas y la superficie.
Este es un resultado importante ya que sugiere que optimizar la topografía nanoestructurada de una superficie puede minimizar la adhesión bacteriana y, por lo tanto, reducir la probabilidad de formación de biopelículas. El equipo de investigación señala que este resultado también se puede aplicar a otros tipos de bacterias y a otros tipos de superficie. Los hallazgos del estudio pueden ayudar a desarrollar nuevos materiales y mejorar los materiales existentes que pueden inhibir mejor la adhesión bacteriana y la formación de biopelículas.
El estudio también demuestra el poder de los funcionales de Minkowski para caracterizar la topografía de una amplia gama de materiales. Los investigadores creen que la amplia aplicabilidad del análisis morfométrico significa que en el futuro los funcionales de Minkowski se utilizarán como el estándar de oro para describir tales superficies.
Enlace al trabajo de investigación: Christian Spengler, Friederike Nolle, Johannes Mischo, Thomas Faidt, Samuel Grandthyll, Nicolas Thewes, Marcus Koch, Frank Müller, Markus Bischoff, Michael Andreas Klatt, Karin Jacobs. Strength of bacterial adhesion on nanostructured surfaces quantified by substrate morphometry. Nanoscale, 2019
En su estudio más reciente, los científicos realizaron un examen detallado de cómo la fuerza adhesiva de las moléculas individuales depende de la topografía de la superficie del sustrato. El equipo de investigación preparó superficies de silicio que exhiben nanoestructuras de diferentes tamaños pero del mismo orden de magnitud que las moléculas de anclaje en la pared celular.
Luego midieron las fuerzas con las que las células bacterianas individuales se adhirieron a las superficies nanoestructuradas. Estos experimentos mostraron que las fuerzas adhesivas disminuían con el aumento del tamaño de las nanoestructuras. Mientras se realizaba el trabajo experimental, el matemático Michael A. Klatt del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (ahora en la Universidad de Princeton) realizó un análisis muy preciso de los sustratos de silicio y cuantificó las geometrías de la superficie utilizando medidas de forma matemática específicas llamadas funciones de Minkowski. El procedimiento se conoce como 'morfometría'.
Trabajando juntos, los equipos pudieron demostrar que la magnitud de la fuerza adhesiva determinada experimentalmente podría explicarse utilizando parámetros geométricos del análisis morfométrico. En pocas palabras, si la rugosidad de la superficie aumenta, muchos de los 'valles' en la superficie ya no están disponibles como sitios de adhesión, ya que ahora son más profundos que la longitud de las moléculas fluctuantes. Por lo tanto, existe una reducción correspondiente en la fuerza adhesiva entre las células bacterianas y la superficie.
Este es un resultado importante ya que sugiere que optimizar la topografía nanoestructurada de una superficie puede minimizar la adhesión bacteriana y, por lo tanto, reducir la probabilidad de formación de biopelículas. El equipo de investigación señala que este resultado también se puede aplicar a otros tipos de bacterias y a otros tipos de superficie. Los hallazgos del estudio pueden ayudar a desarrollar nuevos materiales y mejorar los materiales existentes que pueden inhibir mejor la adhesión bacteriana y la formación de biopelículas.
El estudio también demuestra el poder de los funcionales de Minkowski para caracterizar la topografía de una amplia gama de materiales. Los investigadores creen que la amplia aplicabilidad del análisis morfométrico significa que en el futuro los funcionales de Minkowski se utilizarán como el estándar de oro para describir tales superficies.
Enlace al trabajo de investigación: Christian Spengler, Friederike Nolle, Johannes Mischo, Thomas Faidt, Samuel Grandthyll, Nicolas Thewes, Marcus Koch, Frank Müller, Markus Bischoff, Michael Andreas Klatt, Karin Jacobs. Strength of bacterial adhesion on nanostructured surfaces quantified by substrate morphometry. Nanoscale, 2019