Le superfici con cui le persone interagiscono ogni giorno possono sembrare piuttosto banali, ma su scala molecolare, c'è più attività di quanto sembri.

Ogni superficie che tocchiamo ha le sue proprietà chimiche uniche. È a causa di queste proprietà che alcuni materiali si attaccano alle superfici, mentre altri scivolano via. Per una persona, una superficie appiccicosa può essere un fastidio minore, ma per una cellula batterica, l'attaccamento alla superficie può essere una questione di vita o di morte. I batteri hanno evoluto le proprie superfici per essere appiccicose, come velcro.

Quando i batteri colonizzano una superficie, creano una comunità chiamata biofilm, che può essere una fonte di infezione su dispositivi medici o impianti. Le crescenti preoccupazioni su queste infezioni hanno portato numerosi ricercatori a sviluppare materiali per bloccare questi film a volte pericolosi.

Come chimici biofisici, io e il mio gruppo di ricerca stiamo cercando di capire le forze molecolari che consentono alle molecole biologiche, come quelle sui batteri, di attaccarsi alle superfici durante le prime fasi della formazione del biofilm. Comprendendo questa prima fase di attaccamento, possiamo ridurre i rischi che si formerà un biofilm sui dispositivi medici impiantati e costituirà una minaccia per l'uomo.

Colonie batteriche

I biofilm sono comunità densamente popolate di batteri o altri microrganismi che vivono su una superficie. come una città, crescere all'interno di un biofilm ha alcuni vantaggi. Per esempio, fornisce supporto strutturale, come i pavimenti di un grattacielo, e i microbi possono condividere i nutrienti. Rispetto ai batteri fluttuanti, i batteri in un biofilm sono schermati, permettendo loro di eludere il nostro sistema immunitario e resistere agli antibiotici.

Quando si formano biofilm su dispositivi medici o impianti, possono servire come fonte persistente di infezioni difficili da trattare. Questi costano non solo miliardi di dollari per il trattamento, ma reclamano migliaia di vite ogni anno solo negli Stati Uniti.

Gli scienziati stanno cercando di capire come si formano i biofilm e come prevenirli. I biologi molecolari stanno studiando come il DNA batterico codifica per il meccanismo che consente alle cellule di attaccarsi alle superfici e tra di loro. I microbiologi e i chimici medicinali sono alla ricerca di farmaci in grado di penetrare e distruggere i biofilm. E i chimici biofisici come me stanno cercando di scoprire le interazioni molecolari che rendono difficile prevenire questi biofilm.

Complessità della superficie

Staphylococcus aureus e S. epidermidis sono due specie batteriche che normalmente rappresentano pochi problemi per il nostro corpo. Però, quando un biofilm di stafilococco si forma sulla superficie di un impianto medico come un'anca artificiale, queste cellule possono causare malattie. I biofilm stafilococcici sono tenuti insieme da zuccheri o polisaccaridi, proteine ​​e acidi nucleici, gli elementi costitutivi molecolari di tutti gli organismi viventi. Questi componenti consentono alle cellule batteriche di aderire non solo l'una all'altra, ma anche alle superfici naturali e impiantate nel corpo, come una valvola cardiaca.

Le superfici dei dispositivi medici sono complesse, soprattutto una volta che sono stati esposti al corpo. Le proteine ​​del sangue umano rivestono rapidamente la superficie degli impianti medici, alterando il carattere sia del paziente che dell'età del dispositivo. Quando una cellula batterica si attacca a una di queste superfici, i componenti della cellula interagiscono con la superficie dell'impianto medico, formare una complessa rete di interazioni. Nella nostra ricerca, stiamo studiando le proteine ​​di superficie batteriche che sono coinvolte nell'attaccamento superficiale.

Lo studio di queste interazioni è impegnativo. Tipicamente, gli esperimenti di chimica sono condotti in soluzione, ma gli esperimenti sul biofilm devono essere fatti su una superficie. Rilevare le molecole in superficie è una sfida. Questo perché ci sono meno di quelle molecole rispetto al volume complessivo del materiale, così come la buccia del pomodoro è una minuscola frazione della massa dell'intero pomodoro.

Presentazione della nanoscala

Per superare questo limite, stiamo studiando come le proteine ​​presenti sulla superficie batterica interagiscono con le superfici delle nanoparticelle. Nello specifico, stiamo usando nanoparticelle progettate per imitare la superficie dei dispositivi medici, e stiamo prendendo di mira le proteine ​​coinvolte nelle infezioni da stafilococco, una delle principali fonti di malattie ospedaliere.

Le nanoparticelle hanno un diametro molto più piccolo di una cellula batterica. Ma mentre una cellula tipica farebbe impallidire una nanoparticella, la nanoparticella è ancora molto più grande delle molecole sulla superficie di una cellula. Utilizzando molte nanoparticelle è più facile osservare come il batterio e la particella interagiscono e osservare le molecole batteriche coinvolte nella formazione del biofilm.

Nello specifico, stiamo cercando di capire la struttura e l'orientamento delle proteine ​​su diversi tipi di superfici. Anche se non siamo il primo o l'unico gruppo interessato a questo argomento, il nostro lavoro ha iniziato a rivelare i dettagli molecolari di come le proteine ​​interagiscono con le superfici delle nanoparticelle.

Possiamo sondare quanto strettamente i batteri si aggrappano a una superficie e possiamo esaminare come le molecole proteiche competono per la stessa superficie. Per esempio, dato un insieme di proteine ​​batteriche, quale di questi alla fine si attaccherà alla superficie di un impianto medico?

Quando scopriremo le risposte a queste domande, saremo in grado di identificare gli elementi importanti coinvolti nella formazione precoce del biofilm. Questo sarà utile per gli scienziati che tentano di inibire tali interazioni terapeuticamente, o coloro che cercano di progettare nuove superfici resistenti al biofilm.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.