Les scientifiques ont montré comment les bactéries adhèrent aux surfaces rugueuses au niveau microscopique. Aujourd'hui, une équipe de chercheurs a découvert qu'une analyse précise de la composition topographique des surfaces nanostructurées fournit un moyen direct de dériver les forces adhésives qui lient les bactéries à une surface. Cette découverte a ouvert de nouvelles voies de recherche prometteuses, y compris les moyens de lutter contre les bactéries qui sont si dangereuses dans les environnements cliniques. Les résultats ont été publiés dans la revue académique Nanoéchelle .

Les bactéries Staphylococcus aureus sont l'une des principales causes d'infections nosocomiales. Ces agents pathogènes sont particulièrement problématiques car ils peuvent former des biofilms très robustes sur les surfaces naturelles et artificielles et sont très difficiles à éliminer. Le biofilm protège efficacement les bactéries individuelles des attaques d'autres substances, comme les antibiotiques, les rendant très difficiles à traiter. Une approche consiste donc à essayer d'arrêter la formation de biofilms en premier lieu. Mais pour pouvoir influencer la croissance du biofilm, les chercheurs doivent comprendre les mécanismes par lesquels les bactéries adhèrent à différents types de matériaux. Les surfaces telles que les poignées de porte ou les implants médicaux ont des topographies à l'échelle nanométrique et sont très répandues dans les environnements hospitaliers. Sous le microscope, ces surfaces apparemment lisses apparaissent comme rugueuses, paysages irréguliers de montagnes et de vallées.

Dans une étude antérieure, l'équipe de l'Université de la Sarre, dirigé par la physicienne expérimentale professeur Karin Jacobs et le microbiologiste professeur Markus Bischoff, ont découvert que les bactéries adhéraient aux surfaces solides par un mécanisme dans lequel de nombreuses molécules individuelles dans la paroi cellulaire bactérienne se fixent à la surface. Les dimensions de ces molécules d'attache varient en raison des fluctuations thermiques qui peuvent induire des changements de longueur d'environ 50 nanomètres.

Dans leur étude la plus récente, les scientifiques ont entrepris un examen détaillé de la façon dont la force d'adhérence des molécules individuelles dépend de la topographie de la surface du substrat. L'équipe de recherche a préparé des surfaces de silicium présentant des nanostructures de différentes tailles mais du même ordre de grandeur que les molécules d'attache dans la paroi cellulaire.

Ils ont ensuite mesuré les forces avec lesquelles les cellules bactériennes individuelles adhéraient aux surfaces nanostructurées. Ces expériences ont montré que les forces d'adhérence diminuaient avec l'augmentation de la taille des nanostructures. Pendant le travail expérimental, le mathématicien Michael A. Klatt du Karlsruhe Institute of Technology (maintenant à l'Université de Princeton) a effectué une analyse très précise des substrats de silicium et quantifié les géométries de surface à l'aide de mesures mathématiques spécifiques de forme appelées fonctionnelles de Minkowski. La procédure est connue sous le nom de « morphométrie ».

Travailler ensemble, les équipes ont pu montrer que l'amplitude de la force d'adhérence déterminée expérimentalement pouvait être expliquée à l'aide de paramètres géométriques issus de l'analyse morphométrique. Mettre tout simplement, si la rugosité de la surface augmente, de nombreuses « vallées » à la surface ne sont plus disponibles en tant que sites d'adhésion car elles sont maintenant plus profondes que la longueur des molécules fluctuantes. Il y a donc une réduction correspondante de la force d'adhérence entre les cellules bactériennes et la surface.

Il s'agit d'un résultat important car il suggère que l'optimisation de la topographie nanostructurée d'une surface peut minimiser l'adhésion bactérienne et ainsi réduire la probabilité de formation de biofilm. L'équipe de recherche précise que ce résultat peut également être appliqué à d'autres types de bactéries et à d'autres types de surface. Les résultats de l'étude pourraient bien aider à développer de nouveaux matériaux et à améliorer les matériaux existants qui sont mieux à même d'inhiber l'adhésion bactérienne et la formation de biofilms.

L'étude démontre également la puissance des fonctionnelles de Minkowski pour caractériser la topographie d'une large gamme de matériaux. Les chercheurs pensent que la large applicabilité de l'analyse morphométrique signifie qu'à l'avenir, les fonctionnelles de Minkowski seront utilisées comme l'étalon-or pour décrire de telles surfaces.