Gli scienziati hanno dimostrato come i batteri aderiscono alle superfici ruvide a livello microscopico. Ora un team di ricercatori ha scoperto che l'analisi precisa della composizione topografica delle superfici nanostrutturate fornisce un mezzo diretto per derivare le forze adesive che legano i batteri a una superficie. Questa scoperta ha aperto nuove strade promettenti di ricerca, compresi i modi per combattere i batteri che sono così pericolosi negli ambienti clinici. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista accademica Nanoscala .

I batteri Staphylococcus aureus sono una delle principali cause di infezioni nosocomiali. Questi agenti patogeni sono particolarmente problematici perché possono formare biofilm molto robusti su superfici sia naturali che artificiali e sono molto difficili da rimuovere. Il biofilm protegge efficacemente i singoli batteri dall'attacco di altre sostanze, come antibiotici, rendendoli molto difficili da trattare. Un approccio è quindi quello di cercare di fermare la formazione di biofilm in primo luogo. Ma per poter influenzare la crescita del biofilm, i ricercatori devono comprendere i meccanismi con cui i batteri aderiscono a diversi tipi di materiali. Superfici come maniglie di porte o impianti medici hanno topografie su scala nanometrica e sono molto diffuse negli ambienti ospedalieri. Al microscopio, queste superfici apparentemente lisce si presentano come ruvide, paesaggi irregolari di montagne e valli.

In uno studio precedente, il team della Saarland University, guidato dal fisico sperimentale Professor Karin Jacobs e dal microbiologo Professor Markus Bischoff, scoperto che i batteri aderivano alle superfici solide mediante un meccanismo in cui numerose singole molecole nella parete cellulare batterica si legano alla superficie. Le dimensioni di queste molecole legate variano a causa delle fluttuazioni termiche che possono indurre variazioni di lunghezza di circa 50 nanometri.

Nel loro studio più recente, gli scienziati hanno effettuato un esame dettagliato di come la forza adesiva delle singole molecole dipende dalla topografia della superficie del substrato. Il team di ricerca ha preparato superfici di silicio che mostrano nanostrutture di dimensioni diverse ma dello stesso ordine di grandezza delle molecole legate nella parete cellulare.

Hanno quindi misurato le forze con cui le singole cellule batteriche hanno aderito alle superfici nanostrutturate. Questi esperimenti hanno mostrato che le forze adesive diminuivano con l'aumentare delle dimensioni delle nanostrutture. Durante lo svolgimento del lavoro sperimentale, il matematico Michael A. Klatt del Karlsruhe Institute of Technology (ora alla Princeton University) ha effettuato un'analisi molto precisa dei substrati di silicio e ha quantificato le geometrie della superficie utilizzando misure di forma matematiche specifiche chiamate funzionali di Minkowski. La procedura è nota come "morfometria".

Lavorare insieme, i team sono stati in grado di dimostrare che l'entità della forza adesiva determinata sperimentalmente può essere spiegata utilizzando i parametri geometrici dell'analisi morfometrica. In poche parole, se la rugosità della superficie aumenta, molte delle "valli" sulla superficie non sono più disponibili come siti di adesione poiché ora sono più profonde della lunghezza delle molecole fluttuanti. Vi è quindi una corrispondente riduzione della forza adesiva tra le cellule batteriche e la superficie.

Questo è un risultato importante in quanto suggerisce che l'ottimizzazione della topografia nanostrutturata di una superficie può ridurre al minimo l'adesione batterica e quindi ridurre la probabilità di formazione di biofilm. Il team di ricerca sottolinea che questo risultato può essere applicato anche ad altri tipi di batteri e ad altri tipi di superficie. I risultati dello studio potrebbero aiutare a sviluppare nuovi materiali ea migliorare i materiali esistenti che sono maggiormente in grado di inibire l'adesione batterica e la formazione di biofilm.

Lo studio dimostra anche il potere dei funzionali di Minkowski nel caratterizzare la topografia di un'ampia gamma di materiali. I ricercatori ritengono che l'ampia applicabilità dell'analisi morfometrica significhi che in futuro i funzionali di Minkowski saranno utilizzati come gold standard per descrivere tali superfici.