Un estudio encuentra que la capacidad de adhesión superficial de S. aureus no se distribuye uniformemente en toda la envoltura celular

Las infecciones causadas por la bacteria Staphylococcus aureus tienen un impacto significativo en la salud humana: decenas de miles de pacientes hospitalizados mueren cada año a causa de infecciones causadas por la «superbacteria» S. aureus. Detener la propagación de bacterias como S. aureus requerirá no sólo el desarrollo de nuevos antibióticos a los que no se ha demostrado resistencia antimicrobiana, sino también una mejor comprensión de cómo estos gérmenes se adhieren a las superficies y por dónde pueden ingresar al cuerpo humano. En los hospitales, las superficies que pueden estar infectadas con S. aureus incluyen catéteres e implantes.

Un equipo de investigación dirigido por la profesora Karin Jacobs de la Universidad de Saarland y el profesor Markus Bischoff del Centro Médico de la Universidad de Saarland ha desarrollado un enfoque innovador que les ha permitido descubrir los secretos de la adhesión bacteriana. Su estudio es Publicado en el diario Materia blanda.

Mediante una técnica conocida como espectroscopia de fuerza unicelular (SCFS), se une una única bacteria viva a una pequeña punta con forma de resorte llamada voladizo. Luego, el voladizo con las bacterias adheridas se presiona suavemente sobre una superficie. A continuación se retrae el voladizo y se mide la fuerza necesaria para separar las bacterias del sustrato. La fuerza implicada es de sólo unos pocos nanonewtons, equivalente a una milmillonésima parte del peso de una barra de chocolate.

Estudios anteriores del equipo han demostrado que el área de contacto entre las bacterias y el sustrato tiene un diámetro de 150 a 300 nanómetros, es decir, entre aproximadamente un tercio y una sexta parte del diámetro de la célula de S. aureus. Por lo tanto, sólo se pueden sacar conclusiones sobre la fuerza de adhesión en relación con este rango limitado.

En el presente estudio, las bacterias no se colocaron sobre un sustrato plano, sino sobre una superficie ondulada sinusoidalmente. Al registrar la curva fuerza-distancia sobre esta superficie «arrugada», los investigadores pudieron mapear la intensidad de la fuerza de adhesión en casi toda la mitad inferior de la bacteria. El sustrato fue proporcionado por socios de investigación de la Universidad Tecnológica de Dresde.

Los resultados fueron impresionantes. Se descubrió que la fuerza de adhesión varía significativamente de una célula a otra porque la fuerza de adhesión no se distribuye uniformemente sobre la envoltura de la célula bacteriana y porque el voladizo mantiene a cada bacteria en una determinada posición fija sobre la superficie arrugada.

Para comprender mejor la naturaleza de estos parches altamente adhesivos, el Dr. Michael Klatt desarrolló una serie de modelos geométricos de la superficie bacteriana con el fin de encontrar el que mejor se correspondía con los resultados de las curvas experimentales fuerza-distancia, que muestran la fuerza que se debe aplicar para separar las bacterias del sustrato. El modelo que demostró ser más capaz de reproducir los resultados experimentales tenía de tres a seis puntos de adhesión, cada uno con un diámetro de aproximadamente 250 nm, distribuidos lo más ampliamente posible por la envoltura celular.

Los experimentos también demostraron que incluso en ausencia de parches altamente adhesivos, la fuerza de adhesión registrada en los mínimos de superficie («valles») es aproximadamente el doble que en las áreas circundantes. Es notable lo rápido que disminuye la fuerza de adhesión a medida que la célula abandona el valle. Para obtener una mayor comprensión de los datos experimentales, el Dr. Erik Maikranz realizó simulaciones numéricas («simulaciones de Monte Carlo»).

Las simulaciones mostraron que la fuerza necesaria para separar la célula de la superficie no sólo depende del área de contacto entre la bacteria y la superficie, sino que también está fuertemente influenciada por el ángulo en el que actúa la fuerza de adhesión entre la bacteria y el sustrato.

Este ángulo depende de dónde se encuentran exactamente las bacterias en la estructura de la superficie corrugada. Si está sobre una punta («superficie máxima»), el área de contacto es pequeña y la fuerza requerida para separar las bacterias de la superficie también es generalmente pequeña, a menos que la punta de la superficie esté en contacto con uno de los parches altamente adhesivos de la superficie. superficie bacteria.

El área de contacto es mayor si S. aureus se encuentra en un lado de la pared del valle, pero el ángulo de interacción en este caso también es grande, de modo que la componente vertical de la fuerza de adhesión que actúa entre la célula y el sustrato aún permanece. bajo. Es este componente vertical de la fuerza de adhesión lo que mide el SCFS. La fuerza de desprendimiento es mucho mayor cuando las bacterias están en el “fondo del valle”. En este lugar la superficie de contacto es grande, ya que las curvaturas de las bacterias y del valle coinciden, pero el ángulo de interacción ahora vuelve a ser pequeño, de modo que la mayor parte de la fuerza de adhesión actúa verticalmente.

Por lo tanto, los resultados del estudio de Saarbrücken ofrecen una idea de por qué la fuerza de adhesión que presentan las bacterias de la misma especie sobre el mismo material de sustrato puede variar tanto de una célula a otra. Utilizando este nuevo enfoque, ahora es posible especificar no sólo un valor típico de la fuerza de adhesión, sino también cómo varía esta fuerza a lo largo de la superficie de la célula bacteriana y cómo un sustrato estructurado influye en la adhesión.

Sin embargo, la cuestión de cómo se crean estas fuerzas de adhesión localmente aumentadas a nivel molecular dentro de los parches altamente adhesivos de la pared celular bacteriana no se ha resuelto por completo. Puede deberse en parte a la presencia de grupos de adhesinas, que son componentes de la superficie celular que facilitan la adhesión de las bacterias al sustrato. Para una bacteria como S. aureus, esto tiene la ventaja de crear una superficie muy adhesiva sin requerir un esfuerzo biosintético significativo por parte del patógeno.

Si un adhesivo tan altamente adhesivo entra en contacto con la superficie del sustrato, aumenta la probabilidad de que las bacterias se «peguen» a la superficie. Esto podría ser particularmente ventajoso para bacterias esferoidales que pueden «rodar» sobre la superficie del sustrato incluso en condiciones de bajo flujo. Esto aumentaría la posibilidad de que uno de estos sitios de fuerte adhesión entre en contacto con el sustrato, anclando así las bacterias a la superficie.

Esta ventaja bien puede amplificarse en superficies de sustratos vivos, ya que las bacterias pueden acoplarse a ligandos en la superficie del tejido o biomaterial huésped, permitiendo así una interacción particularmente fuerte.

Los hallazgos de este estudio de investigación básica tienen implicaciones potencialmente importantes para el desarrollo de nuevos materiales y el diseño de futuros estudios sobre la adhesión bacteriana. También abren nuevas posibilidades en la investigación biomédica y, en última instancia, podrían ayudar a reducir significativamente las infecciones causadas por catéteres e implantes médicos.