p Os resultados de estudos em física experimental e teórica podem ajudar a melhorar as superfícies antibacterianas. O trabalho de pesquisa foi publicado recentemente na revista. Nanoescala . p Staphylococcus aureus as bactérias são uma das causas mais comuns de infecções adquiridas pelos pacientes durante a internação. Esses patógenos são particularmente problemáticos porque podem formar biofilmes robustos em superfícies naturais e artificiais, das quais são muito difíceis de remover. "As bactérias individuais dentro desses biofilmes são efetivamente protegidas do ataque por antibióticos ou pelo sistema imunológico humano. É por isso que pode ser tão perigoso quando essas bactérias colonizam implantes médicos, pois podem causar infecções pós-operatórias graves, "explica Karin Jacobs, Professor de Física Experimental na Saarland University. Portanto, é crucial tentar evitar que esses biofilmes se formem em primeiro lugar.

p Contudo, para ser capaz de influenciar o crescimento do biofilme, os pesquisadores tiveram que entender os mecanismos pelos quais as bactérias aderem a diferentes materiais. Usando um microscópio de força atômica de varredura, eles pressionaram as diminutas células bacterianas em diferentes tipos de superfícies e então determinaram a força necessária para levantar as células aderidas da superfície. Essa configuração experimental permitiu aos pesquisadores registrar o que é conhecido como curvas força-distância. "Usamos superfícies de silício extremamente lisas como superfícies de modelo. Em um conjunto de experimentos, as superfícies de silício foram preparadas de forma que tivessem alta molhabilidade; em outro conjunto de experimentos, eles foram tratados para serem altamente hidrofóbicos. Fomos capazes de mostrar que as células bacterianas aderiram muito mais fortemente às superfícies hidrofóbicas, da qual a água simplesmente escorria, do que nas superfícies hidrofílicas (molháveis ​​em água), "explica Karin Jacobs.

p Mas não é apenas a magnitude das forças que diferem entre os dois tipos de superfície, o mesmo acontece com as formas das curvas força-distância (veja a figura). "Nas superfícies hidrofóbicas, vemos curvas muito suaves com uma forma de xícara característica. Nas superfícies hidrofílicas, em contraste, observamos curvas força-distância com um perfil muito recortado, "diz o professor Jacobs.

p Para entender esses resultados, a dinâmica desses sistemas complexos foi modelada por meio de simulações de Monte Carlo que foram realizadas no grupo de pesquisa liderado pelo professor Ludger Santen, Professor de Física Teórica na Saarland University. O modelo trata a célula bacteriana como uma esfera rígida e as moléculas na parede celular que prendem a célula à superfície como minúsculas molas. “Acontece que, para reproduzir os resultados experimentais, o papel desempenhado pela natureza aleatória (estocástica) do processo de ligação molecular é mais importante do que tentar aumentar a complexidade do modelo. Agora descobrimos por que as células da bactéria se comportam de maneira tão diferente em diferentes tipos de superfícies. Em superfícies hidrofóbicas, um grande número de proteínas da parede celular aderem à superfície, o que resulta em uma forte força de ligação e produz uma curva suave de força-distância, "explica Ludger Santen.

p Em contraste, em uma superfície hidrofílica, muito menos proteínas da parede celular estão envolvidas em prender a bactéria à superfície. Como resultado, as bactérias são mantidas com menos força na superfície e a forma da curva força-distância é menos uniforme. "A forma irregular das curvas que vemos nas superfícies hidrofílicas é causada por algumas moléculas individuais da parede celular à medida que são puxadas da superfície. Como menos proteínas da parede celular estão envolvidas, as bactérias se ligam menos fortemente às superfícies hidrofílicas, "diz Erik Maikranz, que realizou as simulações de Monte Carlo como parte de seu trabalho de pesquisa de doutorado.

p Devido às diferentes formas das curvas força-distância, os físicos supõem que em uma superfície hidrofílica menos proteínas da parede celular estão envolvidas no processo de ligação porque essas moléculas primeiro têm que superar uma barreira potencial, que efetivamente reduz o número de macromoléculas de proteína que podem amarrar a célula à superfície. "A barreira potencial de adesão em superfícies hidrofílicas é relativamente alta, portanto, apenas algumas das proteínas da parede celular são capazes de superar essa barreira de energia em um determinado momento. Em superfícies hidrofóbicas, Contudo, a barreira é insignificantemente pequena, para que muitas proteínas da parede celular possam aderir diretamente à superfície, "explica o Dr. Christian Spengler, quem realizou os experimentos no estudo.