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¿Qué fuerza es necesaria para matar una única bacteria?

Investigadores de IMDEA Nanociencia cuantifican la fuerza que es necesaria para causar un daño crítico a bacterias individuales E. coli bajo condiciones fisiológicas, usando dos técnicas combinadas: nanoindentación con un microscopio de fuerza atómica (AFM) y microscopía de fluorescencia

La resistencia a los antibióticos es una de las mayores amenazas para la salud y la seguridad alimentaria mundiales en la actualidad, según la Organización Mundial de la Salud. Este proceso ocurre de forma natural, pero el mal uso de los antibióticos en humanos y animales lo está acelerando. En este contexto, los materiales mecano-bactericidas surgen como estrategia prometedora para hacer frente a la resistencia bacteriana a los antibióticos.

Los materiales mecano-bactericidas constan de estructura superficial que es hostil a las bacterias. En la actualidad, los investigadores quieren comprender las interacciones físicas entre las bacterias y estos nanomateriales antimicrobianos; revelando todos los detalles de la interacción, como la fuerza necesaria para matar las bacterias, se podría diseñar una nueva y mejorada generación de materiales mecano-bactericidas.

Un equipo de investigadores de IMDEA Nanociencia ha estudiado cuantitativamente las fuerzas necesarias para ejercer un daño crítico en una sola bacteria E. coli bajo condiciones fisiológicas. En su trabajo, publicado en ACS Applied Materials and Interfaces, los investigadores dirigidos por la Dr. Flors utilizan la nanoindentación AFM (microscopía de fuerza atómica) para perforar la pared celular de la bacteria, y observan la muerte bacteriana en tiempo real utilizando un marcador fluorescente de viabilidad. Concluyen que una fuerza de unos 20 nN es necesaria para romper la pared celular en E. coli, es decir, el equivalente al 0,000000003% del peso medio de una persona.

Nanoindentación AFM y microscopía de fluorescencia simultáneas sobre una bacteria E. coli. Imagen: Patricia Bondía. 

Se realizaron también indentaciones consecutivas con una fuerza baja pero sin ruptura de la pared celular, que produjeron un efecto de "fatiga" medible en la fisiología bacteriana. Esta fatiga se determinó siguiendo el período de oscilación del sistema Min, un complejo proteínico que ayuda a determinar la división celular en las bacterias, mediante el microscopio de fluorescencia. El efecto de fatiga observado es coherente con las propiedades antibacterianas que se esperan de ciertos nanomateriales antibacterianos, por la acción acumulativa de muchas colisiones de baja fuerza.

Los resultados de esta investigación proporcionan una visión detallada, desconocida hasta la fecha, de la interacción entre las bacterias y los nanomateriales mecano-, y contribuyen al campo emergente de la mecanomicrobiología.  "Nuestro trabajo muestra cómo el desarrollo de técnicas avanzadas de microscopía puede contribuir a una comprensión cuantitativa de las interacciones entre las bacterias y los nanomateriales", dice la Dr. Flors.

Este trabajo ha sido dirigido por la Dra. Cristina Flors, investigadora principal del grupo de Nanoscopia de Fluorescencia Avanzada de IMDEA Nanociencia y ha sido parcialmente financiado por el Programa Severo Ochoa para Centros de Excelencia en I+D otorgado a IMDEA Nanociencia.


Palabras clave: microscopía de fuerzas atómicas, fluorescencia, nanomateriales antibacterianos, mecano-microbiología.


Referencia bibliográfica:

A. del Valle, J. Torra et al. Mechanically Induced Bacterial Death Imaged in Real Time: A

Simultaneous Nanoindentation and Fluorescence Microscopy Study. ACS Appl. Mater. Interfaces (2020). DOI: 10.1021/acsami.0c08184

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