Анализ топографии и наномеханических свойств бактерий-пробиотиков с помощью атомно-силовой микроскопии

ИЮЛ082020

Пробиотики – это живые микроорганизмы, которые выполняют множество полезных функций для здоровья организма при их достаточном количестве, а также улучшают кишечную микрофлору. Пробиотики в основном вводятся людям в сочетании с пищей и широко используются в пищевых продуктах.

Из исследований in vivo и in vitro реакций кишечного эпителия или иммунных клеток на пробиотические штаммы было выявлено, что адгезия пробиотических штаммов к поверхности кишечника и последующая колонизация желудочно-кишечного тракта человека являются важными предпосылками для пробиотического действия [1].

В этой статье рассматривается топография и адгезионные свойства этих микроорганизмов, чтобы определить форму бактерии, которая хорошо прикрепляется к толстой кишке. Исследования проводились на основе анализа коммерчески доступных пробиотиков с использованием наномеханического режима PinPoint для атомно-силовой микроскопии (АСМ) от компании Park Systems.

Эксперимент

Для выделения бактерий-пробиотиков образцы коммерческого продукта объемом 1 мл помещали в пробирки для микроцентрифугирования и центрифугировали в течение 15 минут при 10000 об/мин для отделения осадка биомассы. Надосадочнаю фракцию отделяли, а биомассу извлекали в пробирку. Далее выполнялись серийные разбавления (1 мл биомассы в 9 мл стерильного физиологического раствора) от 10^-1 до 10^-5 [2]. Из 10^-5 разбавленной капли по 0.1 мл помещали на кремниевую подложку и оставляли сушиться на воздухе. Для изучения характеристик бактерий использовали атомно-силовой микроскоп NX10 компании Park Systems; измерения проводились на воздухе с использованием кантилевера AC160TS. Наномеханический режим PinPoint можно использовать для изучения топографии поверхности, а также для определения количественных наномеханических свойств (таких, как модуль упругости, силы адгезии, энергии адгезии) [3]. В ходе исследования были получены изображения топографии, энергии адгезии и силы адгезии размером 256 × 256 пикселей и для области сканирования 2 × 2 мкм.

Результаты

На рис. 1a, b и c представлены изображения энергии адгезии, силы адгезии и топографии, соответственно, изолированных цепочек Streptococcus из 10^-5 разбавленной капли. На рисунке 1d соответственно представлены профили поперечного сечения вдоль зоны анализа. Энергия адгезии (рис. 1a) и сила адгезии (рис. 1b) имели одинаковый характер поведения: меньшие значения наблюдались для бактерий по сравнению с подложкой, к которой они были прикреплены.

Энергия адгезии на кремниевой подложке составляла 400 аДж, а на бактериях-пробиотиках всего 200 аДж. Аналогичные результаты были получены для силы адгезии: 20 нН для бактерий, но 45 нН на кремниевой подложке. Обнаружено, что изолированные на воздухе бактерии относительно менее адгезивны, чем нижележащая подложка. Адгезия бактерий основана на физических взаимодействиях между двумя или более поверхностями. В этом исследовании были определены три разные поверхности: острие кантилевера (поверхность 1), бактерии (поверхность 2) и кремниевая подложка (поверхность 3). Все три поверхности имеют разные физико-химические свойства: площадь поверхности, поверхностная энергия, форма и шероховатость поверхности, которые влияют на силу и энергию адгезии.

Рис. 1.  Изображения энергии адгезии (a), силы адгезии (b) и топографии (c) бактерии-пробиотика и соответствующие цветовые профили поперечного сечения (d) вдоль зоны анализа.

Заключение

Результаты испытаний показывают, что исследуемые бактерии-пробиотики были менее адгезивными к острию кремниевого кантилевера по сравнению с кремниевой подложкой. Это явление может быть связано с адгезией пробиотических штаммов к месту действия, что является важной предпосылкой для пробиотического действия. Из наномеханических измерений мы обнаружили, что на силу адгезии и энергию адгезии влияют физико-химические характеристики каждой подложки. Следовательно, значения силы адгезии и энергии адгезии были ниже, когда измерение проводилось на бактериях, по сравнению с измерением на кремниевой подложке.

Ссылки

1. Saarela M et al.,Journal of Biotechnology. 2000; (84) 197-215
2. Mendoza M AG et al., Revista Mexicana de Ingeniería Química. 2017; 16(1): 159-168
3. Park Systems’s PinPoint™ Nanomehcanical mode https://parksystems.com/park-afm-modes/nanomechanical-modes

Подробные характеристики
Сканирующего атомно-силового микроскопа Park NX10