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原子力显微镜用于非特异性相互作用力对细菌吸附研究

栏目:行业新闻 发布时间:2021-06-30

AFM研究表明,细菌在固相表面的初始吸附由范德华力、静电力、疏水力、空间位阻及表面粗糙度等因素共同支配.用AFM直接检测细菌与固相表面间的相互作用力后发现,吸附力处于纳牛水平,如氮化硅探针与吸附在云母表面的硫酸盐还原菌间的吸附力为3.9~4.3nN,与细胞–底物接触区外围间的吸附力5.1~5.9nN,与细胞–细胞界面间的吸附力6.5~6.8nN.大肠杆菌与聚酰胺或聚苯乙烯修饰的探针间的吸附作用力为2.9~6.7nN,且与聚苯乙烯间有更强的吸附力.氮化硅探针与指数期和稳定期乳酸乳球菌(Lactococcuslactis)间的力曲线没有显著差异,吸附力约为1nN.

Sheng等研究了两种厌氧硫酸盐还原菌和一种需氧假单胞菌(Pseudomonassp.)与磨光的不锈钢、软钢、铜及铝金属表面间的吸附力,结果显示细胞探针对铝的吸附力最高,对铜的最低.脱硫杆菌(Desulfovibriodesulfuricans)和假单胞菌对金属的吸附力较大.细菌对金属的吸附力受到静电力和疏水力的影响.另外,细胞探针与细菌菌苔间存在强烈的静电排斥作用力,这暗示着一旦细菌在金属表面形成细胞层后,其它的细菌很难再吸附其上.Lower等用生物力显微镜直接探测了水溶液中大肠杆菌活细胞与云母、针铁矿及石墨间的界面吸附力.在细胞探针与矿物间分离距离达400nm的范围内,均观测到了吸引和排斥界面力的存在,且力的大小与符号取决于介质的离子强度及矿物表面电荷和疏水性.Lower直接测定了大肠杆菌细胞探针与针铁矿间相互作用力,当大肠杆菌与针铁矿间分离距离为10~12nm时,静电力和空间位阻为主,分离距离为2nm时,范德华力对相互作用力有影响.

Yongsunthon和Lower研究了硅石或聚苯乙烯微珠与金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)单细胞间在近中性的0.1mol/LNaCl电解质溶液中的相互作用.分离曲线中约有40%~50%显示出不显著的吸引相互作用,作者推断这种弱吸附力与非特异性吸引作用力如范德华力是一致的,并指出微珠或细菌的表面电荷不能完全解释力谱图中的吸附力,另外,金黄色葡萄球菌与聚苯乙烯间更大的作用力或吸附能可归因于表面粗糙度及表面疏水性.Razatos等测定了大肠杆菌D21与亲水玻璃及聚乙二醇包被的十八烷基三氯硅烷疏水修饰的玻璃间的吸附作用,当细菌与聚乙二醇包被的底物间距离相当于聚乙二醇聚合物链长度时,AFM检测到了空间排斥作用,与此形成对比的是,大肠杆菌D21与亲水玻璃及十八烷基三氯硅烷疏水修饰的玻璃间出现了长程吸引作用.因此,聚乙二醇毛刷层不仅阻隔了细菌与疏水底物间的长程吸引力,而且还引入了空间排斥效应.在AFM接触曲线中,Li和Logan发现胶体探针与3种大肠杆菌间的非接触区为28~59nm,并假定其源于细菌表面胞外聚合物的空间排斥,接触区为59~113nm,认为其产生于胶体对细胞外膜上的初始压力,通过相关分析发现,3种大肠杆菌在硅质玻璃上的粘度系数只与非接触区的长度有相关性.Vadillo-Rodríguez等发现当乳酸菌和探针表面均呈疏水或亲水时,两者间相互作用力强于当两表面呈相反的疏水性时的作用力,且与溶液离子强度无关.

Shellenberger和Logan研究了玻璃珠分子水平的粗糙度对细菌沉积作用的影响.在离子强度为0.05mol/L和1mol/L的溶液中,Dechlorosomasp.在粗糙玻璃珠(38.1nm±3.9nm)填充柱中的碰撞效率均显著大于光滑玻璃珠(15.0nm±1.9nm)填充柱中的碰撞效率.而在离子强度为0.1mol/L的溶液中,Dechlorosomasp.或大肠杆菌对粗糙玻璃珠及光滑玻璃珠的碰撞效率间都没有显著差别.Mitik-Dineva等联合应用原子力显微镜技术、扫描电镜技术及激光共聚焦技术研究了大肠杆菌、铜绿假单胞菌(P.aeruginosa)及金黄色葡萄球菌(S.aureus)在不同纳米粗糙度玻璃上的吸附.与粗糙表面相比,3种细菌都倾向于吸附在纳米光滑的玻璃表面上,这有别于传统的认识,且细菌代谢活性产生了显著的响应,表现在细胞表面形貌的变化、胞外聚合物的产生及细胞吸附数量的增加.

另外,Morrow等用AFM测定了胶体Pyrax(叶蜡石、石英、高岭石和云母的混合物)探针与几种大肠杆菌间的相互作用能,并证实扩展的DLVO理论预测的细菌在最小能级处的吸附行为.除细菌细胞外,原子力显微镜同样可用于真菌细胞、动物细胞等方面的研究,但这方面的工作已超出本文的综述范围

AFM可直接用于测量单细胞和单分子水平的作用力,在研究细胞吸附方面显示了强大的潜能,但仍面临诸多挑战,如细胞探针的制作、电压–位移曲线向力–距离曲线的转化、距离零点的估计等.为充分发挥AFM在微生物固相界面吸附研究中的作用,区分界面综合效应中的各种作用力、细胞表面目标生物分子及其功能团的作用,首先,需要提升高性能探针的制作水平,完善活细胞样品的固定技术,提高细菌吸附力测定的重现性、精确度、分辨率.其次,需要提高对数据采集、分析、解释的专业技能,如为便于对力曲线进行理论描述,可使用球状胶体探针,运用泊松分布,可有效地区分特异性力与非特异性力,对比力测定与理论计算的数据,可证实理论模型的适应性和预测的有效性,对比力测定数据与宏观吸附数据,可望建立微观机理与宏观现象间的联系等.第三,需要结合其它先进的显微、光谱及能谱技术,如激光共聚焦显微镜技术、扫描电镜、傅里叶变换红外光谱、X-射线光电子能谱等.最后,需要物理化学表面分析和分子生物学等交叉边缘学科的科学家及工程师们的通力协作,使界面细菌行为研究在分子水平上不断深入,逐步揭示生物微界面的真相.