I risultati degli studi di fisica sperimentale e teorica possono aiutare a migliorare le superfici antibatteriche. Il lavoro di ricerca è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nanoscala .

Staphylococcus aureus i batteri sono una delle cause più comuni di infezioni acquisite dai pazienti durante la degenza ospedaliera. Questi agenti patogeni sono particolarmente problematici perché possono formare biofilm robusti su superfici sia naturali che artificiali da cui sono molto difficili da rimuovere. "I singoli batteri all'interno di questi biofilm sono efficacemente protetti dall'attacco degli antibiotici o dal sistema immunitario umano. Ecco perché può essere così pericoloso quando questi batteri colonizzano gli impianti medici in quanto possono causare gravi infezioni postoperatorie, " spiega Karin Jacobs, Professore di Fisica Sperimentale presso la Saarland University. È quindi fondamentale cercare di prevenire la formazione di questi biofilm in primo luogo.

Però, essere in grado di influenzare la crescita del biofilm, i ricercatori hanno dovuto comprendere i meccanismi con cui i batteri aderiscono a materiali diversi. Utilizzando un microscopio a scansione a forza atomica, hanno premuto le minuscole cellule batteriche su diversi tipi di superfici e quindi hanno determinato la forza necessaria per sollevare le cellule aderite dalla superficie. Questa configurazione sperimentale ha permesso ai ricercatori di registrare le cosiddette curve forza-distanza. "Abbiamo usato superfici di silicio estremamente lisce come superfici del modello. In una serie di esperimenti, le superfici in silicio sono state preparate in modo da avere un'elevata bagnabilità in acqua; in un'altra serie di esperimenti sono stati trattati come altamente idrofobici. Siamo stati in grado di dimostrare che le cellule batteriche aderiscono molto più fortemente alle superfici idrofobe, da cui semplicemente scorreva l'acqua, che sulle superfici idrofile (bagnabili con acqua), " spiega Karin Jacobs.

Ma non è solo l'entità delle forze che differiscono tra i due tipi di superficie, così anche le forme delle curve forza-distanza (vedi figura). "Sulle superfici idrofobiche, vediamo curve molto lisce con una caratteristica forma a coppa. Sulle superfici idrofile, in contrasto, osserviamo curve forza-distanza dal profilo molto frastagliato, "dice il professor Jacobs.

Per comprendere questi risultati, la dinamica di questi sistemi complessi è stata modellata utilizzando simulazioni Monte Carlo che sono state effettuate nel gruppo di ricerca guidato dal professor Ludger Santen, Professore di Fisica Teorica presso la Saarland University. Il modello tratta la cellula batterica come una sfera rigida e le molecole nella parete cellulare che legano la cellula alla superficie come minuscole molle. "Si scopre che per riprodurre i risultati sperimentali, il ruolo giocato dalla natura casuale (stocastica) del processo di legame molecolare è più importante che cercare di aumentare la complessità del modello. Ora abbiamo scoperto perché le cellule batteriche si comportano in modo così diverso su diversi tipi di superfici. Su superfici idrofobiche, un gran numero di proteine ​​della parete cellulare aderisce alla superficie, che si traduce in una forte forza di legame e produce una curva forza-distanza regolare, " spiega Ludger Santen.

In contrasto, su una superficie idrofila, molte meno proteine ​​della parete cellulare sono coinvolte nel legare il batterio alla superficie. Di conseguenza, i batteri sono trattenuti meno fortemente sulla superficie e la forma della curva forza-distanza è meno uniforme. "La forma frastagliata delle curve che vediamo con le superfici idrofile è causata da alcune singole molecole della parete cellulare mentre vengono estratte dalla superficie. Poiché sono coinvolte meno proteine ​​della parete cellulare, i batteri si legano meno fortemente alle superfici idrofile, "dice Erik Maikranz, che ha svolto le simulazioni Monte Carlo come parte del suo lavoro di ricerca di dottorato.

A causa delle diverse forme delle curve forza-distanza, i fisici suppongono che su una superficie idrofila siano coinvolte meno proteine ​​della parete cellulare nel processo di legame perché queste molecole devono prima superare una potenziale barriera, che riduce efficacemente il numero di macromolecole proteiche che possono legare la cellula alla superficie. "La potenziale barriera all'adesione sulle superfici idrofile è relativamente alta, quindi solo alcune delle proteine ​​della parete cellulare sono in grado di superare questa barriera energetica in un determinato momento. Su superfici idrofobiche, però, la barriera è trascurabilmente piccola, in modo che molte proteine ​​della parete cellulare possano aderire direttamente alla superficie, " spiega il dottor Christian Spengler, che ha eseguito gli esperimenti nello studio.