Las superficies con las que las personas interactúan todos los días pueden parecer bastante mundanas, pero a escala molecular, hay más actividad de la que parece.

Cada superficie que tocamos tiene sus propias propiedades químicas únicas. Es por estas propiedades que algunos materiales se adhieren a las superficies, mientras que otros se deslizan. Para una persona, una superficie pegajosa puede ser una molestia menor, pero para una célula bacteriana, el apego a la superficie puede ser una cuestión de vida o muerte. Las bacterias han desarrollado sus propias superficies para que sean pegajosas, como Velcro.

Cuando las bacterias colonizan una superficie, crean una comunidad llamada biopelícula, que puede ser una fuente de infección en dispositivos médicos o implantes. La creciente preocupación por estas infecciones ha llevado a varios investigadores a desarrollar materiales para bloquear estas películas, a veces peligrosas.

Como químicos biofísicos, mi grupo de investigación y yo estamos tratando de comprender las fuerzas moleculares que permiten que las moléculas biológicas, como las de las bacterias, se adhieran a las superficies durante las primeras fases de formación de biopelículas. Al comprender esta etapa temprana del apego, podemos reducir los riesgos de que se forme una biopelícula en los dispositivos médicos implantados y suponga una amenaza para los seres humanos.

Colonias bacterianas

Las biopelículas son comunidades densamente pobladas de bacterias u otros microorganismos que viven en una superficie. Como una ciudad crecer dentro de una biopelícula tiene ciertas ventajas. Por ejemplo, proporciona soporte estructural, como los pisos de un rascacielos, y los microbios pueden compartir nutrientes. En comparación con las bacterias que flotan libremente, las bacterias de una biopelícula están protegidas, permitiéndoles evadir nuestro sistema inmunológico y resistir los antibióticos.

Cuando se forman biopelículas en dispositivos médicos o implantes, pueden servir como una fuente persistente de infecciones difíciles de tratar. Estos cuestan no solo miles de millones de dólares para tratar, pero se cobran miles de vidas cada año solo en los EE. UU.

Los científicos están tratando de comprender cómo se forman las biopelículas y cómo prevenirlas. Los biólogos moleculares están averiguando cómo el ADN bacteriano codifica la maquinaria que permite que las células se adhieran a las superficies y entre sí. Los microbiólogos y químicos medicinales buscan fármacos que puedan penetrar y alterar las biopelículas. Y los químicos biofísicos como yo estamos tratando de descubrir las interacciones moleculares que hacen que estas biopelículas sean difíciles de prevenir.

Complejidad superficial

Staphylococcus aureus y S. epidermidis son dos especies bacterianas que normalmente representan un pequeño problema para nuestro cuerpo. Sin embargo, cuando se forma una biopelícula estafilocócica en la superficie de un implante médico como una cadera artificial, estas células pueden causar enfermedades. Las biopelículas estafilocócicas se mantienen unidas por azúcares o polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos, los componentes moleculares de todos los organismos vivos. Estos componentes permiten que las células bacterianas se adhieran no solo entre sí, sino también a superficies naturales e implantadas en el cuerpo, como una válvula cardíaca.

Las superficies de los dispositivos médicos son complejas, especialmente una vez que han estado expuestos al cuerpo. Las proteínas de la sangre humana recubren rápidamente la superficie de los implantes médicos, alterando el carácter a medida que tanto el paciente como el dispositivo envejecen. Cuando una célula bacteriana se adhiere a una de estas superficies, los componentes de la célula interactúan con la superficie del implante médico, formando una compleja red de interacciones. En nuestra investigación, estamos investigando las proteínas bacterianas de la superficie que participan en la unión a la superficie.

Estudiar estas interacciones es un desafío. Típicamente, los experimentos de química se llevan a cabo en solución, pero los experimentos con biopelículas deben realizarse en una superficie. Detectar las moléculas en la superficie es un desafío. Eso es porque hay menos de esas moléculas en comparación con el volumen total del material, al igual que la piel del tomate es una pequeña fracción de la masa de todo el tomate.

Presentando la nanoescala

Para superar esta limitación, Estamos investigando cómo las proteínas presentes en la superficie bacteriana interactúan con las superficies de las nanopartículas. Específicamente, utilizamos nanopartículas diseñadas para imitar la superficie de los dispositivos médicos, y estamos apuntando a proteínas involucradas en infecciones estafilocócicas, una fuente importante de enfermedades relacionadas con el hospital.

Las nanopartículas tienen un diámetro mucho más pequeño que el de una célula bacteriana. Pero mientras que una célula típica empequeñecería a una nanopartícula, la nanopartícula sigue siendo mucho más grande que las moléculas de la superficie de una célula. Al usar muchas nanopartículas, es más fácil observar cómo la bacteria y la partícula interactúan y observar las moléculas bacterianas involucradas en la formación de biopelículas.

Específicamente, estamos tratando de comprender la estructura y orientación de las proteínas en diferentes tipos de superficies. Si bien no somos el primer ni el único grupo interesado en este tema, Nuestro trabajo ha comenzado a revelar los detalles moleculares de cómo las proteínas interactúan con las superficies de las nanopartículas.

Podemos probar qué tan firmemente se adhieren las bacterias a una superficie y podemos examinar cómo las moléculas de proteína compiten por la misma superficie. Por ejemplo, dada una colección de proteínas bacterianas, ¿Cuál de estos se adherirá finalmente a la superficie de un implante médico?

A medida que descubramos las respuestas a estas preguntas, seremos capaces de identificar los elementos importantes involucrados en la formación temprana de biopelículas. Esto será útil para los científicos que intentan inhibir terapéuticamente esas interacciones, o aquellos que buscan diseñar nuevas superficies resistentes a las biopelículas.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.