Molecular mechanisms of adhesion of planktonic and biofilm-dispersed Escherichia coli cells to silicon nitride investigated by atomic force microscope

Abstract

Nitrik oksit verici sodyum nitroprusit (SNP) kullanarak, c-di GMP yolaklarının hedeflenmesi ve böylece biyofilm dağılımının sağlanması biyofilmlerle mücadelede yaygın olarak kullanılan bir stratejidir. Ancak son araştırmalar biyofilm dağıldıktan sonra planktonik moda girdiği düşünülen bakterilerin aslında planktonik muadillerinden farklı özelliklere sahip olduğunu ve daha öldürücü olduğunu göstermiştir. Bu durum, biyofilmden dağılmış hücrelerin yüzeylere adezyonunu ve yeni biyofilmlere dönüşmesini kontrol etmek için geliştirilmiş stratejilere ihtiyaç olduğunu göstermektedir. Ancak planktonik hücrelere kıyasla biyofilmden dağılmış hücrelerin moleküler adezyon özellikleri hakkında çok az bilgi bulunmaktadır. Bu çalışmada, planktonik ve biyofilmden dağılmış E. coli hücrelerinin (kesikli ve sürekli sistem biyofilmlerine eklenen farklı SNP konsantrasyonunun fonksiyonları olarak) moleküler adezyonları arasındaki farkları ortaya çıkarmak amacıyla su içinde model silikon nitrat yüzeylerine uyguladıkları adezyon kuvvetleri atomik kuvvet mikroskobu (AKM) ile ölçülmüştür. Ek olarak, bakteri boyutları ve yüzey biyopolimerlerinin uzunlukları da belirlenmiştir. Yüksek değerlerdeki bakteri boyutları, adezyon kuvvetleri ve AKM verilerindeki heterojenlik, yüksek değerdeki hücre içi c-di GMP miktarlarıyla korelasyon göstermiştir. Özellikle 0.5 µM ve 2.5 mM (toksik) konsantrasyonlarda SNP kullanımının biyofilmden dağılmış hücrelerin moleküler adezyonunda ve c-di GMP miktarlarında önemli artışlara neden olduğu görülmüştür.Biyofilm dağılımında c-di GMP'nin rolü göz önüne alındığında, c-di GMP kaynaklı biyofilmden dağılmış hücrelerin moleküler adezyon mekanizmalarının araştırılması, literatürdeki boşlukların giderilmesine ve biyofilmle mücadele yöntemlerinin geliştirilmesine katkı sağlayacaktır.

Targetting c-di GMP pathways by using nitric oxide donor sodium nitroprusside (SNP), thereby inducing biofilm dispersal, is a widely used strategy in combating biofilms. However, recent studies have shown that bacteria, which are thought to have entered the planktonic mode after biofilm dispersal, actually possess different properties and are more lethal than their planktonic counterparts. This situation indicates that improved strategies are needed to control the adhesion of biofilm-dispersed cells to surfaces and their development into new biofilms. However, little is known regarding the molecular adhesion properties of biofilm-dispersed cells in comparison to planktonic cells. In this dissertation, to reveal the differences between molecular adhesions of planktonic and biofilm-dispersed E. coli cells (as functions of different SNP concentration added to biofilm cultures grown in batch and continuous systems), their adhesion forces to model inert surfaces of silicon nitride in water were measured by atomic force microscope (AFM). In addition, bacterial dimensions and the lengths of their surface biopolymers were determined using AFM. Higher values of bacterial dimensions, molecular adhesion strengths, and heterogeneities in the AFM data correlated with higher intracellular c-di GMP amounts. In particular, the use of 0.5 µM and 2.5 mM (toxic) SNP concentrations caused significant increases in the molecular adhesion and c-di GMP amounts of biofilm-dispersed cells from batch cultures. Considering the role of c-di GMP in biofilm dispersion, the investigation of molecular adhesion mechanisms of c-di GMP induced biofilm-dispersed cells will contribute to the elimination of gaps in the literature and the development of biofilm-combating methods.