Oberflächenpotentialmessung von Bakterien mit Kelvin-Sonde Kraftmikroskopie

Summary

Here, we present a protocol explaining the use of Kelvin probe force microscopy as a tool for generating high resolution nano-scale surface potential maps. This tool was applied to assess the role of surface potential on the binding capacity of microorganisms to substrate surfaces.

Abstract

Oberflächenpotential ist ein häufig übersehen physikalische Eigenschaft, die eine dominante Rolle bei der Adhäsion von Mikroorganismen an Substratoberflächen spielt. Kelvin-Sonde Kraftmikroskopie (KPFM) ist ein Modul der Rasterkraftmikroskopie (AFM), die die Kontaktpotentialdifferenz zwischen Oberflächen im Nanoskala misst. Die Kombination KPFM mit AFM ermöglicht die gleichzeitige Erzeugung von Oberflächenpotential und topographische Karten von biologischen Proben, wie Bakterienzellen. Hier beschäftigen wir KPFM um die Auswirkungen des Oberflächenpotentials auf die mikrobielle Anhaftung an medizinisch relevanten Oberflächen wie rostfreiem Stahl und Gold zu untersuchen. Oberflächenpotential Karten zeigte Unterschiede in der Oberflächenpotential für mikrobielle Membranen auf unterschiedliche Materialuntergründen. Ein Stufenhöhen Graph wurde erzeugt, um die Differenz des Oberflächenpotentials an einer Grenzfläche zwischen der Substratoberfläche und Mikroorganismen zeigen. Änderungen der zellulären Membranoberflächenpotential haben mit Veränderungen in Verbindung gebracht wordens in den Zellstoffwechsel und Beweglichkeit. Daher stellt KPFM ein mächtiges Werkzeug, das verwendet werden kann, um die Änderungen der mikrobiellen Zelloberflächenpotential auf Haftung auf verschiedenen Substratoberflächen zu untersuchen. In dieser Studie zeigen wir, das Verfahren um das Oberflächenpotential der einzelnen Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus USA100 Zellen auf rostfreiem Stahl und Gold mit KPFM charakterisieren.

Introduction

Biofilme auf Geräteoberflächen und in Hautwunden erzeugt ein Problem darstellen für die medizinische Industrie als Biofilme sind widerspenstig, um die Entfernung und kann zu einer erhöhten Rate der Übertragung von Krankheiten und die Antibiotikaresistenz führen. Befestigung ist der erste Schritt in der Biofilmbildung und ist der wichtigste Schritt aufgrund ihrer Reversibilität ^1-3. Substratoberflächeneigenschaften spielen eine entscheidende Rolle bei mikrobiellen Anhaftung. Faktoren, wie Oberflächenhärte, Porosität, Rauhigkeit und Hydrophobie wurde gezeigt, dass die mikrobielle Anbringung zu bewirken; aber wenig Forschung Überprüfung der Rolle der Substratoberfläche Potential (SP) auf die mikrobielle Adhäsion getan wurde ^4,5. Negativ geladenen Oberflächen verhindern die Anlagerung von Bacillus thuringiensis Sporen Glimmer, Silicium und ^Gold-6. Veränderungen der zellulären Membranpotential anzeigt, Veränderungen der zellulären Anhaftung und Motilität ^5,7. Es ist, dass elektrisch hom beobachtetogeneous Oberflächen leichter zu fördern mikrobielle Adhäsion ^5. Charakterisierung des Oberflächenpotentials von Bakterien im Nano einen neuen Weg, um die Haft Kinetik der Bakterien auf verschiedenen Oberflächen zu verstehen, bereitzustellen, und dadurch kann bei der Entwicklung von Anti-Biobewuchs-Strategien helfen. Im Gegensatz zu anderen Methoden zur Charakterisierung der elektro Kinetik der Bakterien, wie elektrophoretischen Lichtstreuung, Zeta-Potential und isoelektrischen Punktbestimmung verwendet wird, ermöglicht die Prüfung der Einzelzellen anstelle von ganzen Kulturen ^8-11 Kelvin-Mikroskop (KPFM). Dies ist von Vorteil, wenn zu wollen Zell-Zell vergleichen oder Biofilm elektrischen Eigenschaften mit hoher Genauigkeit und Präzision.

KPFM ist ein Modul der Rasterkraftmikroskopie (AFM). AFM wurde als eine direkte Folge des Rastertunnelmikroskops (STM) ¹² entwickelt. Die ersten veröffentlichten Bilder mit STM wurden von Gerd Binnig und Heinrich Rorhrer 1982 ¹² gemacht </sup>. Ihre Erfindung konnte atomaren Strukturen von Raster lösen Scannen eines scharfen leitfähigen Spitze über eine leitende Oberfläche in der Luft. Die Auswirkungen der Verwirklichung hochauflösenden Bildern erregt Biologen, die schnell versucht, STM für Bild in getrockneten Proben von DNA, Proteinen und Viren ¹² zu verwenden. STM kann auch in Flüssigkeiten mit speziellen Sondenspitzen ¹³ durchgeführt werden. Dies wurde von Lindsay et al., Die STM und AFM Bild DNA-Moleküle in 10 mM HClO ₄ in Wasser, auf Goldelektroden ¹³ verwendet, gezeigt. KPFM hat bei der Bestimmung der Oberflächenpotentiale von DNA- und Protein-Analyse ²⁵ und Biomolekülen Interaktion mit Liganden ²⁶ gezeigt.

KPFM arbeitet durch Messung des Kontaktpotentialdifferenz (CPD) zwischen einem leitenden AFM Cantilever-Spitze und einer ideal leitenden Probe (Abbildung 1, i) ^14,15. Proben nicht notwendigerweise leitend (dh biologischen sampl seinn). Imaging kann auf Glimmer, Glas und Siliziumoberflächen (nicht leitend), solange der nicht-leitenden Oberfläche ist dünn, und es ist eine darunterliegende leitende Material ^6,7 durchgeführt werden. Die CPD ist äquivalent zu der Oberflächenpotential-Spannung und kann als die Differenz der Austrittsarbeiten zwischen der Spitze (φ _Spitze) und der Probe (φ _Probe), dividiert durch die negativen Elektronenladung beschrieben (- e). Wenn ein AFM-Spitze in der Nähe einer Probenoberfläche gebracht (getrennt durch Entfernung d) eine elektrostatische Kraft (F _s) erzeugt wird infolge des Unterschieds in Fermi Energien (1, II, a) ^15. An diesem Punkt sind die Vakuum Energien der Spitze und der Probe (E _v) im Gleichgewicht sind und ausgerichtet. Auf die Spitze nach näher an der Probenoberfläche, wobei die Spitze und der Probenoberfläche in elektrischen Kontakt und als Parallelplattenkondensatoren (1, II, b kommen </strong>) ^14,15. An der Stelle, die Fermi Energie der Spitze und der Probenoberfläche ausgerichtet werden und erreichte ein stationäres Gleichgewicht (1, II, b). Die Spitze und Probenoberfläche berechnet und eine V _CPD bilden sich aufgrund einer Differenz in E _v 's und Arbeitsfunktionen. A F _es wirkt auf die elektrische Kontaktfläche auf Grund der gebildeten V _CPD. Diese Kraft wird nachfolgend durch die Anwendung eines externen V _DC bis zur Spitze, die die gleiche Größenordnung wie der gebildete V _CPD hat aufgehoben (Abbildung 1, ii, c). Das angelegte Gleichspannung eliminiert Oberflächenladung im Bereich der elektrischen Kontaktierung und der Betrag V _DC erforderlich, die F _n der V _CPD beseitigen gleich der Differenz in den Arbeitsfunktionen zwischen sample Oberfläche und Spitze ^15. Es sei darauf hingewiesen, daß die Arbeitsfunktion der Spitze bekannt ist und es wird von den Herstellern zur Verfügung gestellt werden. In allen KPFM Verfahren wird eine Wechselspannung (V _AC, etwa 100 – 500 mV) ist auch an der Spitze, um die oszillierenden elektrischen Kräfte zwischen der Spitze und der Probe ¹⁴ zu erzeugen. Dies ermöglicht eine bessere Auflösung bei der Messung von Veränderungen der V _CPD und / oder F _n. In dieser Hinsicht können Änderungen in der Frequenz oder Amplitude der elektrischen Schwingung von V _DC korrigiert werden und das Oberflächenpotential Karten erzeugt werden. Daten aus bestimmten Bereichen dieser Karten können weiter analysiert werden, um elektrische Informationen über bestimmte topographische Merkmale bieten.

(1) Hub-Modus, (2) eine Amplitudenmodulation (AM) Modus, und (3) die Frequenzmodulation (FM) Modus ^14,16: KPFM kann in drei Betriebsarten betrieben werden. Lift-Modus war der ursprüngliche incarnation von KPFM. Hub-Modus beruht auf einem Zwei-Durchgangs-Verfahren, in dem eine in Schwingungen versetzte Spitze wird über die Oberfläche gezogen, um ein topographisches Bild zu erhalten. Für den zweiten Durchlauf die Spitze einen vorgegebenen Abstand über der Probe erhöht (von 10 bis 100 nm) und zurück über die gleiche Fläche gescannt. Durch diese beiden Pass Verfahren, Lift-Modus, im Vergleich zu AM- und FM-KPFM dauert die längste Zeit für die Bildaufnahme. Die Anhebung der Spitze von der Oberfläche sorgt dafür, dass nur langfristige F _es gemessen wird. Auch wird das Übersprechen zwischen Topographie und Oberflächenpotentialmessungen auf Kosten der erhöhten lateralen Auflösung und Empfindlichkeit entkoppelt.

AM-KPFM verbessert laterale Auflösung und Empfindlichkeit durch Verwendung von Dual-Frequenzen, um gleichzeitig die Probentopographie und Oberflächenpotential (One-Pass-Scan) ^14. Im AM-Modus wird der Ausleger mechanisch oszilliert, in der Regel 5% unter dem ersten Resonanzfrequenz (f _0), und elektrisch oszilliert (turch einen V _AC) an seinem zweiten Resonanzfrequenz (f _1). Änderungen in der Amplitude von f ₀ führen zur Erzeugung von topographischen Daten, während die Änderungen in der Amplitude der f _1, aufgrund von Änderungen in F _n und V _CPD geben Oberflächenpotentialmessdaten. f ₀ und f ₁ des Auslegers sind durch erhebliche Frequenzen und Energien, die Übersprechen minimiert ¹⁴ Signal getrennt. Der Kopf der E-Box (HEB) der AFM trennt die zwei Signale sowohl topographische zu geben und Oberflächenpotential Daten gleichzeitig in einem Scan. FM-KPFM verbessert die Auflösung noch weiter als AM-KPFM auf biologischen Oberflächen ^14. FM-KPFM funktioniert anders als AM-KPFM, dass es Veränderungen in der elektrostatischen Kraft Gradienten anstatt elektrostatische Kraft (F _n) ¹⁵ misst. Wie AM-Modus nutzt UKW-Modus Dual-Frequenzen und eine singlE-Pass Scan-Mechanismus topographischen zu erhalten und das Oberflächenpotential Daten gleichzeitig ^14. Im UKW-Modus, wird der Ausleger mechanisch f ₀ in Schwingung versetzt und bei einer niedrigen Frequenz geändert elektrisch in Schwingung versetzt (f _mod, in der Regel 1-5 kHz). Bei der elektrostatischen Wechselwirkungen, f ₀ und f _{MOD MIX} zu Seitenbändern f ₀ ± f _mod zu erzeugen. Diese Seitenbänder sind sehr empfindlich auf Veränderungen der elektrostatischen Kraft und kann von f ₀ durch die AFM HEB getrennt werden. Da FM-KPFM misst die Entwicklung elektrostatische Kraft Abstufungen, die Spitzen Spitze Form und seine Wartung / Integrität spielen eine entscheidende Rolle in der Gesamtoberflächenpotential Auflösung ^{14, 15.} Oberflächenpotential Auflösung mit AM- und FM-Modi sind im Bereich von 1 nm seitlich ^{14 -16.} Es sei darauf hingewiesen, dass KPFM Bildgebung kann in unpolaren Flüssigkeiten durchgeführt werden, und in jüngerer Zeit hat sich gezeigt, in niedriger Ionen (<10 mM) polare Flüssigkeiten durchgeführt werden (in seinOpen-Loop KPFM Modi, die keine ein Vorspannungs-Rückkoppelungs, erübrigt die Anwendung einer DC-Vorspannung) wie MilliQ Wasser; jedoch KPFM Bildgebung noch auf lebende Zellen in polaren Lösungen ^17-20 durchgeführt werden. Zusätzliche Herausforderungen SP Abbildungs ​​flüssig verbunden ist, ist, dass die Lösungen üblicherweise zur Aufrechterhaltung Zellen verwendet (dh, phosphatgepufferte Kochsalzlösung) haben hohe Konzentrationen an beweglichen Ionen, die Faraday-Reaktionen, Bias induzierten Ladungsdynamik und Ionendiffusion / Umverteilungs ²⁰ führen würde. So kann dieses Experiment Messungen wurden von getrockneten und toten MRSA Zellen auf Poly-L-lysin funktionalisiertes Stahl und Gold-Oberflächen aus rostfreiem unter Umgebungsbedingungen gemacht. Imaging kann in Luft oder Vakuum an biologischen Proben, die zuvor getrocknet worden sind, oder auf Oberflächen immobilisiert ²⁰ durchgeführt werden. Feuchten Bedingungen haben auch gezeigt, dass KPFM Bildgebung Flächen ⁶ beeinflussen.

In dieser Studie verwendeten wir FM-KPFMund AFM, die Rolle von SP über das Anbringen von Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus USA100 (MRSA), um Poly-L-lysin funktionalisiertes rostfreiem Stahl und Gold-Oberflächen zu untersuchen. MRSA kurzem erhielt Status als multiresistente (MDR) "Superbazillus" aufgrund ihrer natürlich ausgewählt Beständigkeit gegen viele β-Lactam-Antibiotika und Cephalosporine ^21. MRSA-Infektionen sind heute anspruchsvoller, schwer und gewaltig zu behandeln, was zur Verwendung von härteren antimikrobielle Mittel, wie Vancomycin oder Oxazolidinone, die höhere Toxizität beim Menschen, und kann daher nicht als langfristige Behandlungen ²² verwendet werden. Edelstahl wurde wegen ihrer medizinischen Bedeutung und allgemeinem Verwendung als Material in Injektionsnadeln, Bettpfannen, Türgriffe, Waschbecken etc. Gold wurde als Vergleichs verwendete Metall gewählt. FM-KPFM wurde eingesetzt, um zu untersuchen, ob mikrobielle Membran SP ändert sich beim Anbringen an den Substraten.

Protocol

1. Herstellung der Glasgeschirr und Kulturen Bevor Sie mit diesem Experiment fortfahren, bereiten Blut-Agar (SBA) 5% Schafsplatten für den Anbau von MRSA. SBA Inkubation erfolgt während 24 Stunden bei 37 ° C. Nach dieser Zeit sollte einzelne, gut isolierte Kolonien vorhanden, um die anschließende Impfungen in flüssigen Medien verwendet werden können. Speicher strichen SBA-Platten mit Einzelkolonien bei 4 ° C für 1 – 2 Monate. HINWEIS: Schaf Blutagarplatten in vorgefertigte Pakete, die zwischen …

Representative Results

Die Fähigkeit, SP zu messen mit KPFM beruht auf dem Prinzip, dass sowohl die Probenoberfläche und Cantileverspitze leitend zu einem gewissen Grad. Edelstahl und Gold diente als leitende Oberflächen, auf die MRSA wurden angebracht. KPFM Bilder wurden von 15 MRSA-Zellen auf beiden Oberflächen mit 512 x 512 Auflösungen mit Scanbereiche im Bereich von 5 x 5 & mgr; m bis 10 x 10 & mgr; m genommen, und. Abtasten erfolgte mit Liniengeschwindigkeiten im Bereich von 0,02 Zeilen / Sekunde auf 0,05 Zeilen / Sekunde du…

Discussion

KPFM wurde als ein neues Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Oberflächendaten verwendet. Es wurde allgemein als ein Verfahren zur Untersuchung von Ladungsverteilung in der Chemie verwendet worden und hat erst seit kurzem für die Untersuchung von biologischen Systemen im Mikro- und Nano-Skalen angewendet werden. Aus den gesammelten Daten haben wir festgestellt, dass Mikroben schien nicht leicht befestigen zu reinigen Edelstahl und Gold-Oberflächen, auch nach 3 Stunden der statischen Inkubation. Poly-L-Lysin-funkt…

Materials

Name of Reagent/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
5500ILM Atomic Force Microscope	Agilent Technologies	#N9435S
AFM/STM Metal Specimen Discs	TED PELLA, INC.	#16219	Stainless steel sample discs
DPE (Low-Noise) Conductive SPM Probes	Mikromasch	#HQ:DPE-XSC11	There are 4 Pt-coated cantilevers per chip.  We utilized cantilever B for experiments.
PELCO Gold Coated AFM/STM Metal Specimen Discs	TED PELLA, INC.	#16218-G	Gold sample discs
PicoView Software	Agilent Technologies	#N9797B	5500ILM Atomic Force Microscope imaging software
Pico Image Software (Pico Image Basic)	Agilent Technologies	#N9797AU-1FP	5500 ILM Atomic Force Microscope post-image processing software
Scilogex D3024 High Speed Micro-Centrifuge	Thomas Scientific	#91201513	Centrifuge used in cell-washing steps to separate cells (pellet) from media
Trypticase Soy Agar with 5% Sheep Blood	BD	#221261	Pre-made plates
Tryptic Soy Broth	BD	#257107	Comes as a dry powder.  Instruction on how to make come on the container.