Bacterial interaction forces in adhesion dynamics

Wanneer interactiekrachten tussen bacteriën en oppervlakken bepaald worden, hangen deze erg af van de gebruikte meettechniek. De mechanismen die verantwoordelijk zijn voor deze verschillen zijn echter nog niet duidelijk. Om hier meer inzicht in te krijgen, zijn in dit onderzoek interactiekrachten tussen bacteriën en oppervlakken bepaald met de parallelle plaat flow kamer (PPFC) en met behulp van Atomic Force Microscopy (AFM). In niet geforceerde hechting, zoals in de PPFC, zijn krachten om bacteriën van het oppervlak af te spoelen minder sterk dan bij het hydrofobe oppervlak. Tevens vindt er op het hydrofiele oppervlak veel meer adsorptie en desorptie van bacteriën plaats en kunnen bacteriën over het oppervlak rollen. Op het hydrofobe oppervlak is aanhechting een stuk minder dynamisch en is het rollen van bacteriën over het oppervlak nagenoeg afwezig. De verklaring hiervoor is dat beide testoppervlakken een andere capaciteit hebben tot het vormen van waterstofbruggen met de omringende, waterige, vloeistof waarin hechting plaatsvindt. Het hydrofiele oppervlak is goed in staat tot het vormen van waterstofbruggen met de vloeistof. Hierdoor ontstaat bij dit oppervlak een barrière van watermoleculen, waardoor aanhechting van bacteriën aan het hydrofiele oppervlak minder gunstig is. In experimenten met AFM wordt het contact tussen bacteriën en testoppervlak geforceerd. Hierdoor wordt de eerder genoemde barrière mechanisch weggedrukt en wordt de sterkte van interactie bepaald door de vorming van waterstofbruggen tussen bacteriën en testoppervlak. Omdat deze waterstofbruggen wel met het hydrofiele oppervlak, maar niet met het hydrofobe oppervlak gevormd kunnen worden, geeft AFM als resultaat dat hechting aan het hydrofiele oppervlak gunstiger is. Geconcludeerd kan worden dat waterstofbruggen een belangrijke rol spelen in bacteriële hechting aan oppervlakken. Echter, welke waterstofbruggen (tussen bacteriën en vloeistof, tussen oppervlak en vloeistof en tussen bacteriën en oppervlak) domineren bij het meten van interactiekrachten, is afhankelijk van de gebruikte meettechniek. ENGELSE VERSIE: Several methods are available to measure the interaction forces between bacteria and surfaces. However, each technique provides a separate class of interaction force. The mechanisms responsible for these differences are still not fully understood. The aim of this research was to gain more insight in these mechanisms. To meet this aim, interaction forces were determined using a parallel plate flow chamber (PPFC) and Atomic Force Microscopy (AFM). In the PPFC, adhesion takes place like it would in a natural environment. Using this device, it was found that the hydrodynamic forces to stimulate detachment were less strong on the hydrophilic surface as compared to the hydrophobic one. Furthermore, on the hydrophilic surface many more adsorption and desorption events take place and is it possible that bacteria roll over the surface. On the hydrophobic surface, adhesion is less dynamic and also the rolling mode of adhesion was virtually absent. This is caused by the hydrogen bonding capacity of the substrata. Opposite to the hydrophobic surface, the hydrophilic substratum can easily form hydrogen bonds with the surrounding water, creating a “water barrier” and making this substratum surface less favorable for bacterial adhesion. In AFM experiments, contact between bacteria and surfaces is forced and the aforementioned barrier is mechanically overcome. As a result, the formation of hydrogen bonds between bacteria and surfaces is the dominant adhesion mechanism. On a hydrophilic surface the bonds can be formed easily but on a hydrophobic surface it is not possible. This explains why bacterial interaction forces, measured with AFM, are stronger on a hydrophilic surface as compared to the hydrophobic one. In conclusion, hydrogen bonds are important in bacterial adhesion to substratum surfaces, but the used technique determines which hydrogen bonds dominate (i.e. between liquid and substratum, liquid and bacteria and bacteria and substratum).