29.09.2020 • Biophysik

Wie Bakterien auf Oberflächen haften

Physikalische Erklärung des Haftmechanismus kann bei der Verbesserung antibakterieller Oberflächen helfen.

In Krankenhäusern sind multi­resistente Bakterien eine ständige Bedrohung. Dort können sie zum Beispiel Türgriffe und Licht­schalter besiedeln und auf Implantaten zu schweren Infektionen führen. Ein Physiker­team der Universität des Saarlandes hat jetzt gezeigt, warum die Kranken­haus­keime besonders gut an Materialien haften, von denen Wasser abperlt und besonders schlecht an Ober­flächen, die von Wasser benetzt werden. Diese Forschungs­ergebnisse aus der experi­men­tellen und theore­tischen Physik können helfen, anti­bakterielle Ober­flächen zu verbessern.

Abb.: Prinzip des Haft­mecha­nismus des Bakteriums Staphylo­coccus aureus...
Abb.: Prinzip des Haft­mecha­nismus des Bakteriums Staphylo­coccus aureus auf wasser­ab­weisenden, hydro­phoben Ober­flächen (links) im Vergleich zu wasser­an­ziehenden, hydro­philen Ober­flächen (rechts; Bild: UdS)

Bakterien der Art Staphylococcus aureus sind eine der häufigsten Ursachen für Infektionen, die Patienten während eines Kranken­haus­aufent­halts bekommen. Die Erreger werden besonders gefürchtet, weil sie auf natür­lichen und künst­lichen Ober­flächen robuste Biofilme bilden können, die nur schwer zu entfernen sind. „Die einzelnen Bakterien sind in diesen Biofilmen selbst gut geschützt vor Anti­biotika und der mensch­lichen Immun­abwehr. Daher ist es so gefährlich, wenn sie sich zum Beispiel auf Implantaten ansiedeln und nach einer Operation dort Infektionen verursachen“, erläutert Experi­mental­physikerin Karin Jacobs von der Universität des Saarlandes. Wichtig sei es daher, die Bildung von Biofilmen von vorn­herein zu verhindern.

Dazu müssen die Forscher aber zuerst die Mecha­nismen verstehen, mit denen Bakterien an verschiedenen Materialien haften. Mit Hilfe eines Raster­kraf­tmikro­skops drückten die Wissen­schaftler die winzigen Bakterien­zellen auf verschiedene Ober­flächen und bestimmten dabei die Kraft, die erforder­lich war, um die Zellen wieder abzulösen. Bei den Experi­menten wurden Kraft-Distanz-Kurven aufge­nommen. „Als Modell­ober­flächen haben wir extrem glatte Silizium­ober­flächen verwendet, die einmal so präpariert wurden, dass sie gut von Wasser benetzt werden und einmal so, dass sie wasser­abweisend sind. Dabei stellte sich heraus, dass die Zellen auf hydro­phoben Ober­flächen deutlich stärker haften als auf hydro­philen“, erklärt Jacobs. Aber nicht nur die Haftkräfte, sondern auch die Formen der Kraft-Distanz-Kurven unter­scheiden sich grundlegend zwischen den beiden Ober­flächen. Hydro­phobe Ober­flächen liefern sehr glatte Kurven mit charak­teris­tischer Tassen-Form, hydro­phile Ober­flächen dagegen zeigen indivi­duelle Kurven­formen mit zahl­reichen Zacken.

Um diese experimen­tellen Ergeb­nisse zu verstehen, wurden in der Theorie­gruppe von Ludger Santen Monte-Carlo-Simula­tionen durch­ge­führt, mit deren Hilfe die Dynamik komplexer Systeme modelliert werden kann. Das Modell beschreibt das Bakterium als starre Kugel und die Zell­wand­moleküle an der Ober­fläche als kleine Federchen. „Für die richtige Beschreibung der Experimente ist es entscheidender, die Zufalls­komponente bei der Bindung an der Ober­fläche zu betrachten, als die Komplexität des theoretischen Modells zu erhöhen. Wir haben dabei heraus­gefunden, warum sich die Bakterien je nach Ober­fläche so unter­schiedlich verhalten: Auf wasser­ab­weisenden Materialien haften sehr viele Zell­wand­moleküle, was insgesamt zu einer starken Haftung und einer gleich­mäßig glatten Form der Kraft-Distanz-Kurven führt“, erläutert Santen. Auf den hydro­philen Ober­flächen hingegen blieben nur wenige Moleküle hängen, die Zelle haftete folglich schlechter und die Kurven­form wurde weniger gleich­mäßig. Die gezackte Kurven­form wird verursacht durch wenige, einzelne Zell­wand­moleküle, die sich einzeln von der Ober­fläche ablösen. Dadurch können die Bakterien als Ganzes schlechter an der hydro­philen Material­ober­fläche anhaften.

Als Grund für die unter­schied­liche Anzahl haftender Zell­wand­moleküle konnten die Physiker verschiedene Wechsel­wirkungen und eine damit verbundene Potenzial­barriere identi­fi­zieren. „Während die Potenzial­barriere auf hydro­philen Ober­flächen vergleichs­weise hoch ist und nur von wenigen Molekülen in einer bestimmten Zeit über­wunden werden kann, ist sie auf hydro­phoben Ober­flächen vernach­lässigbar klein, sodass sehr viele Moleküle unmittelbar anhaften können“, erklärt Team-Mitglied Christian Spengler, der für die Experi­mente der Studie verant­wort­lich war.

UdS / RK

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