Modèle du mécanisme d'adhésion par lequel la bactérie Staphylococcus aureus se lie aux surfaces hydrophobes (« faible énergie ») (à gauche) par rapport aux surfaces hydrophiles (« à haute énergie ») (à droite). À gauche, un grand nombre de molécules de la paroi cellulaire (représentées ici sous forme de minuscules ressorts compressibles) sont impliquées dans la liaison de la cellule à la surface hydrophobe. Sur la surface hydrophile illustrée à droite, beaucoup moins de molécules sont impliquées. Les résultats ont été obtenus par une équipe de physiciens expérimentaux et théoriques de l'Université de la Sarre qui a effectué des simulations numériques Monte Carlo de données force-distance à partir d'expériences de microscopie à force atomique. Crédit :Université de la Sarre
Les résultats d'études en physique expérimentale et théorique peuvent aider à améliorer les surfaces antibactériennes. Les travaux de recherche ont été récemment publiés dans la revue Nanoéchelle .
Staphylococcus aureus Les bactéries sont l'une des causes les plus fréquentes d'infections contractées par les patients lors d'un séjour à l'hôpital. Ces agents pathogènes sont particulièrement problématiques car ils peuvent former des biofilms robustes sur les surfaces naturelles et artificielles dont ils sont très difficiles à éliminer. « Les bactéries individuelles au sein de ces biofilms sont efficacement protégées contre les attaques des antibiotiques ou du système immunitaire humain. C'est pourquoi il peut être si dangereux lorsque ces bactéries colonisent les implants médicaux car elles peuvent alors provoquer de graves infections postopératoires, " explique Karin Jacobs, Professeur de physique expérimentale à l'Université de la Sarre. Il est donc crucial d'essayer d'empêcher la formation de ces biofilms en premier lieu.
Cependant, pouvoir influencer la croissance du biofilm, les chercheurs devaient comprendre les mécanismes par lesquels les bactéries adhèrent à différents matériaux. A l'aide d'un microscope à balayage à force atomique, ils ont pressé les minuscules cellules bactériennes sur différents types de surfaces, puis déterminé la force nécessaire pour soulever les cellules collées de la surface. Cette configuration expérimentale a permis aux chercheurs d'enregistrer ce que l'on appelle des courbes force-distance. "Nous avons utilisé des surfaces de silicium extrêmement lisses comme surfaces modèles. Dans une série d'expériences, les surfaces de silicium ont été préparées de manière à présenter une mouillabilité élevée à l'eau ; dans une autre série d'expériences, ils ont été traités pour être hautement hydrophobes. Nous avons pu montrer que les cellules bactériennes adhéraient beaucoup plus fortement aux surfaces hydrophobes, d'où l'eau s'écoulait simplement, que sur les surfaces hydrophiles (mouillables à l'eau), " explique Karin Jacobs.
Mais ce n'est pas seulement l'amplitude des forces qui diffère entre les deux types de surface, il en va de même pour les formes des courbes force-distance (voir figure). "Sur les surfaces hydrophobes, nous voyons des courbes très douces avec une forme de coupe caractéristique. Sur les surfaces hydrophiles, en revanche, on observe des courbes force-distance avec un profil très irrégulier, " dit le professeur Jacobs.
Pour comprendre ces résultats, la dynamique de ces systèmes complexes a été modélisée à l'aide de simulations Monte Carlo réalisées dans le groupe de recherche dirigé par le professeur Ludger Santen, Professeur de physique théorique à l'Université de la Sarre. Le modèle traite la cellule bactérienne comme une sphère rigide et les molécules de la paroi cellulaire qui attachent la cellule à la surface comme de minuscules ressorts. « Il s'avère que pour reproduire les résultats expérimentaux, le rôle joué par la nature aléatoire (stochastique) du processus de liaison moléculaire est plus important que d'essayer d'augmenter la complexité du modèle. Nous avons maintenant découvert pourquoi les cellules bactériennes se comportent si différemment sur différents types de surfaces. Sur les surfaces hydrophobes, un grand nombre de protéines de la paroi cellulaire adhèrent à la surface, qui se traduit par une force de liaison forte et donne une courbe force-distance lisse, " explique Ludger Santen.
En revanche, sur une surface hydrophile, beaucoup moins de protéines de la paroi cellulaire sont impliquées dans la fixation de la bactérie à la surface. Par conséquent, les bactéries sont moins fortement retenues en surface et la forme de la courbe force-distance est moins uniforme. "La forme irrégulière des courbes que nous voyons avec les surfaces hydrophiles est causée par quelques molécules individuelles de la paroi cellulaire lorsqu'elles sont extraites de la surface. Parce que moins de protéines de la paroi cellulaire sont impliquées, les bactéries se lient moins fortement aux surfaces hydrophiles, " dit Erik Maikranz, qui a réalisé les simulations de Monte Carlo dans le cadre de ses travaux de recherche doctorale.
En raison des différentes formes des courbes force-distance, les physiciens supposent que sur une surface hydrophile, moins de protéines de la paroi cellulaire sont impliquées dans le processus de liaison car ces molécules doivent d'abord surmonter une barrière potentielle, ce qui réduit efficacement le nombre de macromolécules protéiques qui peuvent attacher la cellule à la surface. « La barrière potentielle à l'adhérence sur les surfaces hydrophiles est relativement élevée, Ainsi, seules quelques-unes des protéines de la paroi cellulaire sont capables de surmonter cette barrière énergétique à un moment donné. Sur les surfaces hydrophobes, cependant, la barrière est négligeable, afin que de nombreuses protéines de la paroi cellulaire puissent adhérer directement à la surface, " explique le Dr Christian Spengler, qui a réalisé les expériences de l'étude.
