Role of growth phase in physiochemical properties and adhesion capacities of Escherichia coli and Bacillus subtilis cells at the nano- and macro- scales

Abstract

Bakteriyel adezyon, üretimi bakteri büyüme fazına/zamanına bağlı olan bakteriyel yüzey biyopolimerlerinin fizyokimyasal özellikleri gibi birçok faktörden etkilenen karmaşık bir süreçtir. Bu tezde, farklı büyüme fazlarına/zamanlarına bağlı olarak meydana gelen Gram-negatif E. coli ve Gram-pozitif B. subtilis hücrelerinin yüzey fizyokimyasal özelliklerindeki değişikliklerin, bakteri hücrelerinin yüzeylere adezyon kapasitesini nasıl etkilediği nano- ve makro-ölçekte araştırılmıştır. Bakteri hücreleri ve silikon nitrat problar arasındaki nano ölçekli adezyon kuvvetleri ve enerjileri atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile su ve bir tampon solüsyonu altında ölçülmüştür. Su içerisindeki nano ölçekli adezyon kuvvetleri ve enerjileri deneyinden elde ettiğimiz sonuçlarımız, en yüksek adezyon kapasitesinin 4.5 saat büyütülen B. subtilis için ölçüldüğünü, E. coli için ise en yüksek adezyon kapasitesinin 6.5 saat büyütülen hücreler için ölçüldüğünü göstermiştir. Bununla birlikte, divalent katyonlar içeren tampon çözeltisindeki hücrelerin adezyon kapasitelerinin, su altındakine göre çok daha düşük olduğu AFM ölçümleri ile bulunmuştur. Makro-ölçekte termodinamik yaklaşım kullanılarak yapılan deneyler sonucunda elde edilen bakteriyel adezyon karşılaştırmaları, AFM kullanılarak nano-ölçekte elde edilen karşılaştırmalar ile doğrudan benzerlik göstermiştir. Termodinamik yaklaşım ayrıca hücre yüzeyinin hidrofobisite ve polarite gibi fizyokimyasal özellikleri hakkında da bilgi sağlamıştır. AFM sonuçları ile birleştirildiğinde, E. coli için lipopolisakkaritlerin (LPS'lerin) ve B. subtilis için hücre-duvarı ilişkili teikoik asitlerin (WTA'ların) hem nano hem de makro düzeylerde bakterilerin adezyonuna öncülük ettiği sonucuna varılmıştır. Bakterilerin bu negatif yüklü yüzey biyopolimerlerinin miktarı ve bunlarla ilişkili adezyon kapasiteleri, hücrelerin büyüme fazı/zamanı ile değişmiştir.

Bacterial adhesion is a complex process that is affected by many factors such as physiochemical properties of bacterial surface biopolymers whose production depends on the bacterial growth phase/time. In this thesis, how the changes in the surface physiochemical properties of Gram-negative E. coli and Gram-positive B. subtilis cells due to different growth phases/times affect the adhesion of bacterial cells to surfaces was investigated at the nano- and macro-scales. Nano-scale adhesion forces and energies between bacterial cells and silicon nitride probes were measured under water and buffer by atomic force microscope (AFM). The highest adhesion capacity was quantified for B. subtilis grown for 4.5 hours, while the highest adhesion capacity for E. coli was quantified for cells grown for 6.5 hours at the nano-scale in water. However, the adhesion capacities of cells in the buffer containing divalent cations were found to be much lower than those obtained in water by AFM. Bacterial adhesion comparisons of the experiments conducted on bacterial lawns using thermodynamic approach at the macro-scale were similar to those conducted at the nano-scale using AFM. The thermodynamic approach also provided information about the physiochemical properties of the cell surface such as hydrophobicity and polarity. When combined with the AFM results, it was concluded that lipopolysaccharides (LPSs) for E. coli and cell-wall-anchored teichoic acids (WTAs) for B. subtilis lead to adhesion both at the nano- and macro-levels. The amount of those negatively charged surface biopolymers of bacteria and their associated adhesion capacities changed with the growth phase/time of the cells.