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Verschiedene Bakterienformen wurden erstmals von Antony van Leeuwenhoek im 17. Jahrhundert festgestellt1. Bakterien gibt es seit der Antike in einer Vielzahl von Formen, die von Kugeln bis hin zu verzweigten Zellenreichen 2. Die Zellform ist eine grundlegende Voraussetzung für bakterielle Taxonomen, um jede Bakterienart zu beschreiben und zu klassifizieren, hauptsächlich für die morphologische Trennung von grampositiven und gramnegativen Stämmen3. Zur Bestimmung bakterieller Zellformen sind mehrere Elemente bekannt, die alle an der Zellhülle und -stütze als Bestandteile der Zellwand und -membran sowie im Zytoskelett beteiligt sind. Auf diese Weise sind die Wissenschaftler immer noch dabei, die chemischen, biochemischen und physikalischen Mechanismen und Prozesse aufzuklären, die an der Bestimmung bakterieller Zellformen beteiligt sind, die alle durch Gencluster definiert sind, die bakterielle Formen definieren 2,4.
Darüber hinaus haben Wissenschaftler gezeigt, dass die Stäbchenform wahrscheinlich die Urform von Bakterienzellen ist, da diese Zellform in zellsignifikanten Parametern optimal erscheint. So werden Kokken, Spiralen, Vibrionen, Faden und andere Formen als Anpassungen an verschiedene Umgebungen betrachtet; In der Tat haben sich bestimmte Morphologien mehrfach unabhängig voneinander entwickelt, was darauf hindeutet, dass die Formen von Bakterien Anpassungen an bestimmte Umgebungen sein könnten 3,5. Während des gesamten Lebenszyklus der bakteriellen Zellen ändert sich jedoch die Zellform, und dies geschieht auch als genetische Reaktion auf schädliche Umweltbedingungen3. Die Form und Größe der Bakterienzellen bestimmen stark die Steifigkeit, Robustheit und das Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis der Bakterien, und diese Eigenschaft kann für biotechnologische Prozesse genutzt werden6.
Die elektronische Mikroskopie wird aufgrund der hohen Vergrößerung, die über lichtbasierte Mikroskope hinaus erreicht werden kann, zur Untersuchung biologischer Proben eingesetzt. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) sind die am häufigsten verwendeten Techniken für diesen Zweck; Die Proben benötigen jedoch einige Behandlungen, bevor sie in die Kammer des Mikroskops gelegt werden, um geeignete Bilder zu erhalten. Eine goldene Abdeckung der Proben ist erforderlich, und die Zeit, die für die gesamte Bildaufnahme benötigt wird, sollte nicht zu lang sein. Im Gegensatz dazu ist die Rasterkraftmikroskopie (AFM) eine Technik, die bei der Analyse von Oberflächen weit verbreitet ist, aber auch bei der Untersuchung biologischer Proben eingesetzt wird.
Es gibt verschiedene Arten von AFM-Modi, die in der Oberflächenanalyse verwendet werden, z. B. Kontaktmodus, berührungsloser Modus oder Gewindebohren, Magnetkraftmikroskopie (MFM), konduktives AFM, piezoelektrische Kraftmikroskopie (PFM), Spitzenkraftabgriff (PFT), Kontaktresonanz und Kraftvolumen. Jeder Modus wird bei der Analyse von Materialien verwendet und liefert unterschiedliche Informationen über die Oberfläche der Materialien und ihre mechanischen und physikalischen Eigenschaften. Einige AFM-Modi werden jedoch für die In-vitro-Analyse biologischer Proben verwendet, wie z. B. PFT, da PFT die Gewinnung topographischer und mechanischer Daten über Zellen in einem flüssigen Medium ermöglicht7.
In dieser Arbeit haben wir den grundlegendsten Modus verwendet, der in jedem alten und einfachen AFM-Modell enthalten ist - den Kontaktmodus. Das AFM verwendet eine scharfe Sonde (ca. <50 nm Durchmesser), um Bereiche mit einer Größe von weniger als 100 μm zu scannen. Die Sonde wird auf die Probe ausgerichtet, um mit den mit der Probe verbundenen Kraftfeldern zu interagieren. Die Oberfläche wird mit der Sonde abgetastet, um die Kraft konstant zu halten. Anschließend wird ein Bild der Oberfläche erzeugt, indem die Bewegung des Auslegers überwacht wird, während er sich über die Oberfläche bewegt. Die gesammelten Informationen liefern die nanomechanischen Eigenschaften der Oberfläche, wie Haftung, Elastizität, Viskosität und Scherung.
Im AFM-Kontaktmodus wird der Cantilever mit einer festen Auslenkung über die Probe abgetastet. Dadurch kann die Höhe der Proben (Z) bestimmt werden, was einen Vorteil gegenüber den anderen elektronischen Mikroskoptechniken darstellt. Die AFM-Software ermöglicht die Erzeugung eines 3D-Bildscans durch die Wechselwirkung zwischen der Spitze und der Probenoberfläche, und die Spitzenauslenkung wird durch einen Laser und einen Detektor mit der Höhe der Probe korreliert.
Im statischen Modus (Kontaktmodus) mit konstanter Kraft stellt der Ausgang zwei verschiedene Bilder dar: die Höhe (z-Topographie) und das Auslenkungs- oder Fehlersignal. Der statische Modus ist ein wertvoller, einfacher Bildgebungsmodus, insbesondere für robuste Proben in Luft, die den hohen Belastungen und Torsionskräften des statischen Modus standhalten können. Der Auslenkungs- oder Fehlermodus wird im Konstantkraftmodus betrieben. Das Topographiebild wird jedoch durch Hinzufügen des Ablenksignals zur Oberflächenstruktur weiter verbessert. In diesem Modus wird das Ablenksignal auch als Fehlersignal bezeichnet, da die Auslenkung der Rückkopplungsparameter ist. Alle Merkmale oder Morphologien, die in diesem Kanal auftreten, sind auf den "Fehler" in der Rückkopplungsschleife oder vielmehr auf die Rückkopplungsschleife zurückzuführen, die erforderlich ist, um einen konstanten Auslenkungssollwert aufrechtzuerhalten.
Das einzigartige Design von AFM macht es kompakt - klein genug, um auf eine Tischplatte zu passen - und hat gleichzeitig eine hohe Auflösung, um atomare Schritte aufzulösen. Die AFM-Geräte sind kostengünstiger als die Geräte für andere elektronische Mikroskope, und die Wartungskosten sind minimal. Das Mikroskop benötigt kein Labor mit besonderen Bedingungen wie einem Reinraum oder einem isolierten Raum. Es braucht nur einen vibrationsfreien Schreibtisch. Für das AFM müssen die Proben nicht wie bei anderen Techniken (Goldabdeckung, Schlankheitsmessung) aufwendig aufbereitet werden. Lediglich eine trockene Probe muss am Probenhalter befestigt werden.
Wir verwenden den AFM-Kontaktmodus, um bakterielle Morphologien und die Auswirkungen von NPs zu beobachten. Die Population und Zellmorphologie von Bakterien, die auf einem Träger fixiert sind, können ebenso beobachtet werden wie die zellulären Schäden, die durch Nanopartikel an den Bakterienarten verursacht werden. Die Bilder, die mit dem AFM-Kontaktmodus erhalten wurden, bestätigen, dass es sich um ein leistungsstarkes Werkzeug handelt, das nicht durch Reagenzien und komplizierte Verfahren eingeschränkt ist, was es zu einer einfachen, schnellen und wirtschaftlichen Methode zur Charakterisierung von Bakterien macht.