Hvordan forskere bekæmper infektionsfremkaldende biofilm

De overflader, mennesker interagerer med hver dag, kan virke temmelig dagligdags, men på molekylær skala, der er mere aktivitet end det ser ud til.

Hver overflade, vi berører, har sine egne unikke kemiske egenskaber. Det er på grund af disse egenskaber, at nogle materialer klæber til overflader, mens andre glider af. For en person, en klæbrig overflade kan være en mindre irritation, men for en bakteriecelle, overfladefastgørelse kan være et spørgsmål om liv og død. Bakterier har udviklet deres egne overflader til at være klæbrige, som velcro.

Når bakterier koloniserer en overflade, de skaber et fællesskab kaldet en biofilm, som kan være en kilde til infektion på medicinsk udstyr eller implantater. Voksende bekymringer over disse infektioner har fået en række forskere til at udvikle materialer til at blokere disse til tider farlige film.

Som biofysiske kemikere, min forskergruppe og jeg forsøger at forstå de molekylære kræfter, der gør det muligt for biologiske molekyler - som dem på bakterier - at fæstne til overflader i de tidligste faser af biofilmdannelse. Ved at forstå dette tidlige tilknytningsstadium, vi kan reducere de risici, som en biofilm vil danne på implanteret medicinsk udstyr og udgøre en trussel for mennesker.

Bakteriekolonier

Biofilm er tæt pakket grupper af bakterier eller andre mikroorganismer, der lever på en overflade. Som en by, vokser inden for en biofilm har visse fordele. For eksempel, det giver strukturel støtte, som gulvene i et højhus, og mikrober kan dele næringsstoffer. Sammenlignet med frit flydende bakterier, bakterier i en biofilm er afskærmet, giver dem mulighed for at undgå vores immunsystem og modstå antibiotika.

Når biofilm dannes på medicinsk udstyr eller implantater, de kan tjene som en vedvarende kilde til svært at behandle infektioner. Disse koster ikke kun milliarder af dollars at behandle, men kræver tusinder af liv hvert år alene i USA.

Forskere forsøger at forstå, hvordan biofilm dannes, og hvordan man forhindrer dem. Molekylærbiologer arbejder på, hvordan bakterielt DNA koder for det maskineri, der gør det muligt for celler at fæstne til overflader og hinanden. Mikrobiologer og lægemiddelkemikere leder efter lægemidler, der kan trænge igennem og forstyrre biofilm. Og biofysiske kemikere som mig forsøger at udslette de molekylære interaktioner, der gør disse biofilm udfordrende at forhindre.

Overfladekompleksitet

Staphylococcus aureus og S. epidermidis er to bakteriearter, der normalt udgør et lille problem for vores kroppe. Imidlertid, når en stafylokokbiofilm dannes på overfladen af ​​et medicinsk implantat som en kunstig hofte, disse celler kan forårsage sygdom. Staphylococcal biofilm holdes sammen af ​​sukker eller polysaccharider, proteiner og nukleinsyrer, molekylære byggesten i alle levende organismer. Disse komponenter gør det muligt for bakteriecellerne at klæbe ikke kun til hinanden, men også til naturlige og implanterede overflader i kroppen - som en hjerteklap.

Overfladerne på medicinsk udstyr er komplekse, især når de er blevet udsat for kroppen. Menneskelige blodproteiner dækker hurtigt overfladen af ​​medicinske implantater, ændre karakteren som både patientens og enhedens alder. Når en bakteriecelle fastgøres til en af ​​disse overflader, cellens komponenter interagerer med overfladen af ​​det medicinske implantat, danner et komplekst netværk af interaktioner. I vores forskning, vi undersøger de bakterielle overfladeproteiner, der er involveret i overfladefastgørelse.

At studere disse interaktioner er udfordrende. Typisk, kemiforsøg udføres i opløsning, men biofilmforsøg skal udføres på en overflade. Det er en udfordring at opdage molekylerne på overfladen. Det er fordi der er færre af disse molekyler i forhold til materialets samlede volumen, ligesom tomatens hud er en lille brøkdel af hele tomatens masse.

Introduktion til nanoskalaen

For at overvinde denne begrænsning, vi undersøger, hvordan proteiner, der findes på bakterieoverfladen, interagerer med nanopartikeloverflader. Specifikt, vi bruger nanopartikler designet til at efterligne overfladen af ​​medicinsk udstyr, og vi er målrettet mod proteiner involveret i stafylokokinfektioner, en vigtig kilde til hospitalsrelateret sygdom.

Nanopartikler har en diameter meget mindre end en bakteriecelle. Men mens en typisk celle ville dværge en nanopartikel, nanopartiklen er stadig meget større end molekylerne på overfladen af ​​en celle. Ved at bruge mange nanopartikler er det lettere at observere, hvordan bakterien og partiklen interagerer og observerer de bakterielle molekyler, der er involveret i dannelse af biofilm.

Specifikt, vi forsøger at forstå strukturen og orienteringen af ​​proteiner på forskellige typer overflader. Selvom vi ikke er den første eller den eneste gruppe, der er interesseret i dette emne, vores arbejde er begyndt at afsløre de molekylære detaljer om, hvordan proteiner interagerer med nanopartikeloverflader.

Vi kan undersøge, hvor tæt bakterierne klæber til en overflade - og vi kan undersøge, hvordan proteinmolekyler konkurrerer om den samme overflade. For eksempel, givet en samling af bakterielle proteiner, hvilken af ​​disse vil i sidste ende fæstne til overfladen af ​​et medicinsk implantat?

Når vi opdager svarene på disse spørgsmål, vil vi være i stand til at identificere de vigtige elementer, der er involveret i tidlig biofilmdannelse. Dette vil være nyttigt for forskere, der forsøger at hæmme disse interaktioner terapeutisk, eller dem, der søger at designe nye biofilmresistente overflader.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.