Bacterial adhesion to abiotic surfaces: atomic force spectroscopy and Monte Carlo simulations

Abstract

A profound understanding of bacterial adhesion on abiotic substrates is of great importance for health care concerns. Force measurements with an atomic force microscope (AFM) and bacterial probes are the state-of-the art method in quantitative bacterial adhesion research. In this thesis, a simple and reproducible method to produce single bacterial probes was developed and, subsequently, used to investigate bacterial adhesion mechanisms on abiotic surfaces. To deepen the understanding of the molecular mechanisms of bacterial adhesion, Monte Carlo simulations were paired with AFM experiments. By using highly controlled substrates, fundamental mechanisms of bacterial adhesion are revealed: Bacterial adhesion relies on the binding of bacterial surface polymers, and the nature and the amount of bound polymers finally determine the strength of adhesion. On hydrophobic substrates, for instance, bacterial adhesion relies on fast binding of a large number of thermally fluctuating surface proteins. In contrast, on hydrophilic substrates, bacterial adhesion is weak due to a small amount of attaching surface polymers. Thus, the individual adhesion properties of a bacterial cell rely on the interplay of the surface polymers of a cell with a substrate in close proximity. Furthermore, the difference of bacterial adhesion strength to hydrophilic and hydrophobic substrates was utilized to develop a new technique to determine the contact area between a single bacterial cell and surface.

Ein grundlegendes Verständnis der Adhäsion von Bakterien an abiotischen Substratoberflächen ist von größter Bedeutung für medizinische Belange. Kraftmessungen mit Rasterkraftmikroskopen und Bakteriensonden stellen den modernsten Stand quantitativer Erforschung bakterieller Adhäsion dar. In dieser Arbeit wurde eine einfache und reproduzierbare Methode entwickelt, um Bakteriensonden mit einzelnen Zellen herzustellen. Mit diesen Sonden wurden daraufhin Adhäsionsmechanismen von Bakterien an abiotischen Substratoberflächen untersucht. Um die molekularen Mechanismen der Bakterienadhäsion besser zu verstehen, wurden zudem Monte Carlo Simulationen durchgeführt. Dadurch konnten grundlegende Haftungsmechanismen bestimmt werden: Die Adhäsion von Bakterien beruht auf der Bindung von Zellwandpolymeren, wobei die Stärke der Haftung eines Bakteriums durch die Eigenschaften und die Anzahl der an eine Oberfläche bindenden Polymere bestimmt wird. Zum Beispiel wird die Adhäsion von Bakterien auf hydrophoben Substraten durch thermisch fluktuierende Zellwandproteine hervorgerufen, die in großer Zahl an die Oberfläche binden. Im Gegensatz dazu ist die Adhäsion von Bakterien auf hydrophilen Substraten wesentlich schwächer, aufgrund einer geringeren Anzahl bindender Polymere. Die stark unterschiedliche Adhäsionskraft von Bakterien auf hydrophoben und hydrophilen Oberflächen war die Grundlage der Entwicklung einer neuen Technik zur Messung der Kontaktfläche zwischen Bakterien und Oberflächen.