Exploring Microbial Adhesion Through Targeted Design of Bacterial Probes and Substrates in AFM-based Force Spectroscopy

Abstract

Understanding and, therewith, controlling bacterial adhesion is highly relevant in many areas of life. Since earlier studies approached these questions mostly with classical adsorption experiments, quantitative measurements of the interactions between bacterial cells and interfaces have so far only been carried out for a limited number of systems. Hence, in this thesis, atomic force microscopy-based single cell force spectroscopy was used to determine adhesion forces of bacterial cells to different types of surfaces. As a basis, the adhesion of Staphylococcus aureus cells to very hydrophilic and strongly hydrophobic surfaces was characterized for a high number of individual cells and the influence of certain groups of cell wall molecules on adhesion was determined. With this knowledge, a method for measuring the contact area between bacterial cells and flat surfaces was developed and it was shown that the adhesive strength of an individual cell does not depend on its contact area. This may be explained by the fact that the adhesion capability is heterogeneously distributed over the cell surface, which was shown by experiments on periodically structured surfaces. Irregularly structured surfaces were used to show that the adhesive strength of bacterial cells is sensitive to nanoscale surface roughnesses. Additionally, it was shown that Streptococcus mutans cells adapt to their natural oral habitat in terms of an enhanced adhesion capability in a salivary environment.

Das Verständnis und die Kontrolle bakterieller Adhäsion ist in vielen Lebensbereichen hoch relevant. Da sich frühere Studien diesen Fragestellungen meist mit klassischen Adsorptionsexperimenten genähert haben, wurden quantitative Messungen der Wechselwirkungen zwischen Bakterien und Grenzflächen bisher nur für eine begrenzte Anzahl von Systemen durchgeführt. In dieser Arbeit wurde deshalb Rasterkraftmikroskopie-basierte Kraftspektroskopie mit Einzelbakteriensonden eingesetzt, um Adhäsionskräfte zwischen Bakterien und verschiedenartigen Oberflächen zu bestimmen. Als Grundlage wurde die Adhäsion von Staphylococcus aureus auf sehr gut und sehr schlecht benetzbaren Oberflächen charakterisiert und der Einfluss verschiedener Zellwandmoleküle auf die Adhäsion bestimmt. Mit diesem Wissen wurde eine Methode zur Messung der Kontaktfläche zwischen Bakterien und flachen Oberflächen entwickelt und es wurde gezeigt, dass die Haftkraft eines Individuums nicht von der Größe seiner Kontaktfläche abhängt. Eine Erklärung dafür liefert die Tatsache, dass die Haftfähigkeit heterogen über die bakterielle Zelloberfläche verteilt ist, was durch Experimente auf periodischen Strukturen gezeigt wurde. Auf unregelmäßig strukturierten Oberflächen wurde gezeigt, dass die Stärke der Bakterienadhäsion sensitiv auf nanoskalige Oberflächenrauheiten ist. Außerdem wurde gezeigt, dass sich Streptococcus mutans Zellen ihrem natürlichen, oralen Habitat anpassen, indem sich ihre Haftfähigkeit in Speichel erhöht.