„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 Ludger Santen.
Auf den hydrophilen Oberflächen hingegen blieben nur wenige Moleküle hängen, die Zelle haftete folglich schlechter und die Kurvenform wurde weniger gleichmäßig. „Diese 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“, so Erik Maikranz, der die Simulationen im Rahmen seiner Doktorarbeit durchgeführt hat.
Als Grund für die unterschiedliche Anzahl haftender Zellwandmoleküle konnten die Physiker verschiedene Wechselwirkungen und eine damit verbundene sogenannte Potentialbarriere identifizieren. „Während die Potentialbarriere 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 der promovierte Physiker Christian Spengler, der für die Experimente der Studie verantwortlich war.
Die Forschungsarbeit entstand im Rahmen eines Sonderforschungsbereichs der Deutschen Forschungsgemeinschaft (SFB 1027), der sich dem Thema „Physical modeling of non-equilibrium processes in biological systems“ widmet. Darin erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Physik, Medizin, Bioinformatik, Biologie und Chemie die physikalischen Grundlagen biologischer Prozesse.
Originalpublikation: E. Maikranz, C. Spengler, N. Thewes, A. Thewes, F. Nolle, M. Bischoff, L. Santen and K. Jacobs, ‘Different binding mechanisms of Staphylococcus aureus to hydrophobic and hydrophilic surfaces’; Nanoscale (2020), DOI: 10.1039/d0nr03134h
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/nr/d0nr03134h
