Los científicos han demostrado cómo las bacterias se adhieren a superficies rugosas a nivel microscópico. Ahora, un equipo de investigadores ha descubierto que el análisis preciso de la composición topográfica de las superficies nanoestructuradas proporciona un medio directo de derivar las fuerzas adhesivas que unen las bacterias a una superficie. Este descubrimiento ha abierto nuevas y prometedoras vías de investigación, incluyendo formas de combatir las bacterias que son tan peligrosas en entornos clínicos. Los resultados han sido publicados en la revista académica Nanoescala .

La bacteria Staphylococcus aureus es una de las principales causas de infecciones adquiridas en el hospital. Estos patógenos son particularmente problemáticos porque pueden formar biopelículas muy robustas tanto en superficies naturales como artificiales y son muy difíciles de eliminar. La biopelícula protege eficazmente a las bacterias individuales del ataque de otras sustancias, como los antibióticos, haciéndolos muy difíciles de tratar. Por lo tanto, un enfoque es intentar detener la formación de biopelículas en primer lugar. Pero para poder influir en el crecimiento de la biopelícula, los investigadores deben comprender los mecanismos por los que las bacterias se adhieren a diferentes tipos de materiales. Las superficies como las manijas de las puertas o los implantes médicos tienen topografías a nanoescala y están muy extendidas en los entornos hospitalarios. Bajo el microscopio estas superficies aparentemente lisas se muestran ásperas, Paisajes irregulares de montañas y valles.

En un estudio anterior, el equipo de la Universidad de Saarland, dirigido por la profesora de física experimental Karin Jacobs y el profesor microbiólogo Markus Bischoff, descubrió que las bacterias se adhieren a las superficies sólidas mediante un mecanismo en el que numerosas moléculas individuales de la pared celular bacteriana se unen a la superficie. Las dimensiones de estas moléculas de anclaje varían debido a fluctuaciones térmicas que pueden inducir cambios de longitud de alrededor de 50 nanómetros.

En su estudio más reciente, los científicos llevaron a cabo un examen detallado de cómo la fuerza adhesiva de las moléculas individuales depende de la topografía de la superficie del sustrato. El equipo de investigación preparó superficies de silicio que exhiben nanoestructuras de diferentes tamaños pero del mismo orden de magnitud que las moléculas de anclaje en la pared celular.

Luego midieron las fuerzas con las que las células bacterianas individuales se adhirieron a las superficies nanoestructuradas. Estos experimentos mostraron que las fuerzas adhesivas disminuyeron con el aumento del tamaño de las nanoestructuras. Mientras se realizaba el trabajo experimental, el matemático Michael A. Klatt del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (ahora en la Universidad de Princeton) llevó a cabo un análisis muy preciso de los sustratos de silicio y cuantificó las geometrías de la superficie utilizando medidas matemáticas específicas de forma llamadas funcionales de Minkowski. El procedimiento se conoce como "morfometría".

Trabajando juntos, los equipos pudieron demostrar que la magnitud de la fuerza adhesiva determinada experimentalmente podría explicarse utilizando parámetros geométricos del análisis morfométrico. En pocas palabras, si la rugosidad de la superficie aumenta, muchos de los "valles" en la superficie ya no están disponibles como sitios de adhesión, ya que ahora son más profundos que la longitud de las moléculas fluctuantes. Por tanto, existe una reducción correspondiente de la fuerza adhesiva entre las células bacterianas y la superficie.

Este es un resultado importante, ya que sugiere que la optimización de la topografía nanoestructurada de una superficie puede minimizar la adhesión bacteriana y, por lo tanto, reducir la probabilidad de formación de biopelículas. El equipo de investigación señala que este resultado también se puede aplicar a otros tipos de bacterias y a otros tipos de superficie. Los hallazgos del estudio pueden ayudar a desarrollar nuevos materiales y mejorar los materiales existentes que son más capaces de inhibir la adhesión bacteriana y la formación de biopelículas.

El estudio también demuestra el poder de las funciones de Minkowski para caracterizar la topografía de una amplia gama de materiales. Los investigadores creen que la amplia aplicabilidad del análisis morfométrico significa que en el futuro los funcionales de Minkowski se utilizarán como el estándar de oro para describir tales superficies.