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Antibacterial Action of Nanoparticles by Lethal Stretching of Bacterial Cell Membranes

材料科学 纳米颗粒 细胞膜 脂质双层 细菌细胞结构 胶体金 双层 细菌外膜 表面张力 纳米技术 细菌 大肠杆菌 生物物理学 化学 生物 生物化学 量子力学 基因 物理 遗传学
作者
Denver P. Linklater,Vladimir A. Baulin,Xavier Le Guével,Jean‐Baptiste Fleury,Eric Hanssen,The Hong Phong Nguyen,Saulius Juodkazis,Gary Bryant,Russell M. Crawford,Paul Stoodley,Elena P. Ivanova
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:32 (52): e2005679-e2005679 被引量:230
标识
DOI:10.1002/adma.202005679
摘要

It is commonly accepted that nanoparticles (NPs) can kill bacteria; however, the mechanism of antimicrobial action remains obscure for large NPs that cannot translocate the bacterial cell wall. It is demonstrated that the increase in membrane tension caused by the adsorption of NPs is responsible for mechanical deformation, leading to cell rupture and death. A biophysical model of the NP-membrane interactions is presented which suggests that adsorbed NPs cause membrane stretching and squeezing. This general phenomenon is demonstrated experimentally using both model membranes and Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus, representing Gram-positive and Gram-negative bacteria. Hydrophilic and hydrophobic quasi-spherical and star-shaped gold (Au)NPs are synthesized to explore the antibacterial mechanism of non-translocating AuNPs. Direct observation of nanoparticle-induced membrane tension and squeezing is demonstrated using a custom-designed microfluidic device, which relieves contraction of the model membrane surface area and eventual lipid bilayer collapse. Quasi-spherical nanoparticles exhibit a greater bactericidal action due to a higher interactive affinity, resulting in greater membrane stretching and rupturing, corroborating the theoretical model. Electron microscopy techniques are used to characterize the NP-bacterial-membrane interactions. This combination of experimental and theoretical results confirm the proposed mechanism of membrane-tension-induced (mechanical) killing of bacterial cells by non-translocating NPs.
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