Published July 1, 2021
| Version v1
Publication
Open
Resolving physical interactions between bacteria and nanotopographies with focused ion beam scanning electron microscopy
Creators
- 1. University Of Bristol Dental Hospital
- 2. University of Bristol
- 3. Universiti Malaysia Perlis
- 4. University of Manchester
- 5. Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
- 6. Universität Hamburg
Description
To robustly assess the antibacterial mechanisms of nanotopographies, it is critical to analyze the bacteria-nanotopography adhesion interface. Here, we utilize focused ion beam milling combined with scanning electron microscopy to generate three-dimensional reconstructions of Staphylococcus aureus or Escherichia coli interacting with nanotopographies. For the first time, 3D morphometric analysis has been exploited to quantify the intrinsic contact area between each nanostructure and the bacterial envelope, providing an objective framework from which to derive the possible antibacterial mechanisms of synthetic nanotopographies. Surfaces with nanostructure densities between 36 and 58 per μm2 and tip diameters between 27 and 50 nm mediated envelope deformation and penetration, while surfaces with higher nanostructure densities (137 per μm2) induced envelope penetration and mechanical rupture, leading to marked reductions in cell volume due to cytosolic leakage. On nanotopographies with densities of 8 per μm2 and tip diameters greater than 100 nm, bacteria predominantly adhered between nanostructures, resulting in cell impedance.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
لإجراء تقييم قوي للآليات المضادة للبكتيريا في الصور النانوية، من الأهمية بمكان تحليل واجهة الالتصاق بين البكتيريا والطوبوغرافيا النانوية. هنا، نستخدم طحن شعاع الأيونات المركزة جنبًا إلى جنب مع المسح المجهري الإلكتروني لتوليد إعادة بناء ثلاثية الأبعاد للمكورات العنقودية الذهبية أو الإشريكية القولونية التي تتفاعل مع الصور النانوية. لأول مرة، تم استغلال التحليل المورفومتري ثلاثي الأبعاد لتحديد مساحة التلامس الجوهرية بين كل بنية نانوية والغلاف البكتيري، مما يوفر إطارًا موضوعيًا يمكن من خلاله اشتقاق الآليات المضادة للبكتيريا المحتملة للصور النانوية الاصطناعية. الأسطح ذات الكثافة النانوية بين 36 و 58 لكل ميكرومتر مربع وأقطار الطرف بين 27 و 50 نانومتر تشوه واختراق الغلاف، في حين أن الأسطح ذات الكثافة النانوية العالية (137 لكل ميكرومتر مربع) تسبب اختراق الغلاف والتمزق الميكانيكي، مما يؤدي إلى انخفاضات ملحوظة في حجم الخلية بسبب التسرب الخلوي. في الصور النانوية التي تبلغ كثافتها 8 لكل ميكرومتر مربع وأقطار الطرف أكبر من 100 نانومتر، تلتصق البكتيريا في الغالب بين البنى النانوية، مما يؤدي إلى مقاومة الخلية.Translated Description (French)
Pour évaluer de manière robuste les mécanismes antibactériens des nanotopographies, il est essentiel d'analyser l'interface d'adhésion bactéries-nanotopographies. Ici, nous utilisons le broyage par faisceau d'ions focalisé combiné à la microscopie électronique à balayage pour générer des reconstructions tridimensionnelles de Staphylococcus aureus ou d'Escherichia coli interagissant avec les nanotopographies. Pour la première fois, l'analyse morphométrique 3D a été exploitée pour quantifier l'aire de contact intrinsèque entre chaque nanostructure et l'enveloppe bactérienne, fournissant un cadre objectif à partir duquel dériver les mécanismes antibactériens possibles des nanotopographies synthétiques. Les surfaces avec des densités de nanostructure comprises entre 36 et 58 par μm2 et des diamètres de pointe compris entre 27 et 50 nm induisent une déformation et une pénétration de l'enveloppe, tandis que les surfaces avec des densités de nanostructure plus élevées (137 par μm2) induisent une pénétration de l'enveloppe et une rupture mécanique, entraînant des réductions marquées du volume cellulaire en raison de fuites cytosoliques. Sur les nanotopographies avec des densités de 8 par μm2 et des diamètres de pointe supérieurs à 100 nm, les bactéries adhéraient principalement entre les nanostructures, ce qui entraînait une impédance cellulaire.Translated Description (Spanish)
Para evaluar de manera sólida los mecanismos antibacterianos de las nanotopografías, es fundamental analizar la interfaz de adhesión bacteria-nanotopografía. Aquí, utilizamos molienda de haz de iones enfocada combinada con microscopía electrónica de barrido para generar reconstrucciones tridimensionales de Staphylococcus aureus o Escherichia coli que interactúan con nanotopografías. Por primera vez, se ha aprovechado el análisis morfométrico 3D para cuantificar el área de contacto intrínseco entre cada nanoestructura y la envoltura bacteriana, proporcionando un marco objetivo a partir del cual derivar los posibles mecanismos antibacterianos de las nanotopografías sintéticas. Las superficies con densidades de nanoestructura entre 36 y 58 por μm2 y diámetros de punta entre 27 y 50 nm mediaron la deformación y penetración de la envoltura, mientras que las superficies con densidades de nanoestructura más altas (137 por μm2) indujeron la penetración de la envoltura y la ruptura mecánica, lo que condujo a marcadas reducciones en el volumen celular debido a la fuga citosólica. En nanotopografías con densidades de 8 por μm2 y diámetros de punta superiores a 100 nm, las bacterias se adhirieron predominantemente entre nanoestructuras, lo que dio como resultado la impedancia celular.Files
pdf.pdf
Files
(15.9 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:55bf4a7668a8d0ab76f6863e915ce593
|
15.9 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- حل التفاعلات الفيزيائية بين البكتيريا والصور النانوية باستخدام المجهر الإلكتروني للمسح بالأشعة الأيونية المركزة
- Translated title (French)
- Résoudre les interactions physiques entre les bactéries et les nanotopographies grâce à la microscopie électronique à balayage par faisceau d'ions focalisé
- Translated title (Spanish)
- Resolución de interacciones físicas entre bacterias y nanotopografías con microscopía electrónica de barrido de haz de iones enfocado
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3178280960
- DOI
- 10.1016/j.isci.2021.102818
References
- https://openalex.org/W1527829184
- https://openalex.org/W1919188446
- https://openalex.org/W1991889484
- https://openalex.org/W2008242644
- https://openalex.org/W2039842874
- https://openalex.org/W2078714250
- https://openalex.org/W2109168464
- https://openalex.org/W2134153749
- https://openalex.org/W2136327514
- https://openalex.org/W2158033863
- https://openalex.org/W2161167208
- https://openalex.org/W2165462684
- https://openalex.org/W2188200316
- https://openalex.org/W2203691734
- https://openalex.org/W2218626940
- https://openalex.org/W2299031190
- https://openalex.org/W2404073584
- https://openalex.org/W2404726326
- https://openalex.org/W2584326054
- https://openalex.org/W2600940890
- https://openalex.org/W2740273888
- https://openalex.org/W2744147386
- https://openalex.org/W2779562955
- https://openalex.org/W2783425403
- https://openalex.org/W2795213291
- https://openalex.org/W2805479013
- https://openalex.org/W2806283015
- https://openalex.org/W2935873834
- https://openalex.org/W2950243670
- https://openalex.org/W2951221089
- https://openalex.org/W3011566611
- https://openalex.org/W3032717961
- https://openalex.org/W3034217794
- https://openalex.org/W3046665481
- https://openalex.org/W3048987220
- https://openalex.org/W3112988804