¿Por qué los gérmenes de los hospitales se unen más fuertemente a ciertas superficies que a otras?
Los diferentes mecanismos de adhesión de las bacterias se entienden fundamentalmente
Las bacterias multirresistentes son un grave problema en los hospitales y en los centros de salud. Al formar una biopelícula, estos patógenos pueden colonizar las manillas de las puertas y los interruptores de luz y su presencia en los implantes médicos puede conducir a graves casos de infección postoperatoria. Un equipo de físicos de la Universidad de Saarland ha demostrado ahora por qué los gérmenes de los hospitales se adhieren fuertemente a las superficies de las que el agua simplemente se desprende, pero se adhieren tan mal a las superficies que son fácilmente mojadas por el agua. Estos resultados de los estudios de física experimental y teórica pueden ayudar a mejorar las superficies antibacterianas.
Modelo del mecanismo de adhesión por el cual la bacteria Staphylococcus aureus se adhiere a superficies hidrofóbicas ('de baja energía') (izquierda) en comparación con las superficies hidrofílicas ('de alta energía') (derecha).
Universität des Saarlandes
La bacteria Staphylococcus aureus es una de las causas más comunes de las infecciones adquiridas por los pacientes durante una estancia en el hospital. Estos patógenos son particularmente problemáticos porque pueden formar robustas biopelículas tanto en superficies naturales como artificiales de las cuales son muy difíciles de eliminar. Las bacterias individuales dentro de estas biopelículas están protegidas eficazmente del ataque de los antibióticos o del sistema inmunológico humano. Por eso puede ser tan peligroso cuando estas bacterias colonizan los implantes médicos, ya que pueden causar graves infecciones postoperatorias", explica Karin Jacobs, Profesora de Física Experimental de la Universidad de Saarland. Por lo tanto, es crucial tratar de evitar que estas biopelículas se formen en primer lugar.
Sin embargo, para poder influir en el crecimiento de la biopelícula, los investigadores tuvieron que comprender los mecanismos por los que las bacterias se adhieren a diferentes materiales. Utilizando un microscopio de fuerza atómica de barrido, presionaron las diminutas células bacterianas sobre diferentes tipos de superficies y luego determinaron la fuerza necesaria para levantar las células adheridas de la superficie. Esta configuración experimental permitió a los investigadores registrar lo que se conoce como curvas fuerza-distancia. Utilizamos superficies de silicio extremadamente lisas como superficies modelo. En un conjunto de experimentos, las superficies de silicio se prepararon para que tuvieran una alta mojabilidad en el agua; en otro conjunto de experimentos se trataron para que fueran altamente hidrofóbicas. Pudimos demostrar que las células bacterianas se adherían mucho más fuertemente a las superficies hidrofóbicas, de las cuales el agua simplemente se desprendía, que a las superficies hidrofílicas (mojables)", explica Karin Jacobs. Pero no es sólo la magnitud de las fuerzas lo que difiere entre los dos tipos de superficie, también lo hacen las formas de las curvas fuerza-distancia (ver figura). "En las superficies hidrofóbicas, vemos curvas muy suaves con una característica forma de copa. En las superficies hidrófilas, en cambio, observamos curvas de fuerza-distancia con un perfil muy dentado", dice el Profesor Jacobs.
Para comprender estos resultados, la dinámica de estos complejos sistemas se modeló utilizando simulaciones de Monte Carlo que se llevaron a cabo en el grupo de investigación dirigido por el Profesor Ludger Santen, Profesor de Física Teórica de la Universidad de Saarland. El modelo trata la célula bacteriana como una esfera rígida y las moléculas en la pared celular que atan la célula a la superficie como diminutos resortes. Resulta que para reproducir los resultados experimentales, el papel desempeñado por la naturaleza aleatoria (estocástica) del proceso de unión molecular es más importante que tratar de aumentar la complejidad del modelo. Ahora hemos descubierto por qué las células de las bacterias se comportan de forma tan diferente en diferentes tipos de superficies. En las superficies hidrofóbicas, un gran número de las proteínas de la pared celular se adhieren a la superficie, lo que da lugar a una fuerte fuerza de unión y produce una curva fuerza-distancia suave", explica Ludger Santen. Por el contrario, en una superficie hidrófila, muchas menos proteínas de la pared celular están involucradas en la unión de la bacteria a la superficie. Como resultado, las bacterias se sujetan con menos fuerza en la superficie y la forma de la curva fuerza-distancia es menos uniforme. La forma irregular de las curvas que vemos en las superficies hidrófilas está causada por unas pocas moléculas individuales de la pared celular que son extraídas de la superficie. Debido a que hay menos proteínas de la pared celular involucradas, las bacterias se unen con menos fuerza a las superficies hidrófilas", dice Erik Maikranz, que llevó a cabo las simulaciones de Monte Carlo como parte de su trabajo de investigación doctoral.
Debido a las diferentes formas de las curvas fuerza-distancia, los físicos suponen que en una superficie hidrófila hay menos proteínas de la pared celular involucradas en el proceso de unión porque estas moléculas tienen que superar primero una barrera potencial, lo que reduce efectivamente el número de macromoléculas de proteína que pueden atar la célula a la superficie. La barrera potencial de adhesión en las superficies hidrófilas es relativamente alta, por lo que sólo unas pocas de las proteínas de la pared celular son capaces de superar esta barrera energética en un momento determinado. En las superficies hidrófobas, sin embargo, la barrera es insignificantemente pequeña, por lo que muchas proteínas de la pared celular pueden adherirse directamente a la superficie", explica el Dr. Christian Spengler, que realizó los experimentos en el estudio.
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