Summary 95

Transcription

1 University of Groningen Nanoscopic vibrations by bacteria adhering to surfaces Song, Lei IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2015 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Song, L. (2015). Nanoscopic vibrations by bacteria adhering to surfaces [Groningen]: University of Groningen Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Summary 95

3 Bacterial adhesion occurs on virtually all natural or man-made surfaces. The investigation of bacterial adhesion has been intensified during the past decade and led to a better understanding of the underlying adhesion mechanisms. An important area of research in this field is related to the attractive forces involved in the interactions between bacteria and substratum surfaces. Many theoretical models and technical methods have been developed, trying to infer or measure the strength and character of this attraction. The analysis of Brownian motion induced bacterial vibrations provides a novel, convenient and direct way to characterize the viscoelastic bond between the bacterium and the substratum. Chapter 1 gives an overview of the mechanisms of bacterial adhesion which includes the non-specific approach and the specific approach to bacterial adhesion. The first aim of this thesis is to develop bacterial vibration spectroscopy as a new method to analyse the viscoelasticity of the bond between adhering bacteria and a substratum surface and to critically assess the virtues of vibration spectroscopy as compared with known methods, such as atomic force microscopy (AFM) or quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D). The second aim is to determine the influence of the general factors known to mediate specific- and non-specific bacterial binding to surfaces, on the vibration amplitudes of adhering bacteria. Bacteria adhering to surfaces demonstrate random, nanoscopic vibrations around their equilibrium positions. In Chapter 2 we considered vibrational amplitudes of bacteria adhering to glass. Spring constants of the bond are derived from vibrational amplitudes and related with the electrophoretic softness of the cell surfaces and dissipation shifts measured upon bacterial adhesion in a QCM-D. Experiments were conducted with six bacterial strains with pair-wise differences in cell surface characteristics. Vibrational amplitudes were highest in low ionic strength suspensions. Under fluid flow, vibrational amplitudes were lower in the direction of flow than perpendicular to it because stretching of cell surface polymers in the direction of flow causes stiffening of the polyelectrolyte network surrounding a bacterium. Under static conditions (0.57 mm), vibrational amplitudes of fibrillated Streptococcus salivarius HB7 (145 nm) were higher than of a bald mutant HB-C12 (76 nm). Amplitudes of moderately extracellular-polymeric-substance (EPS) producing Staphylococcus epidermidis ATCC35983 (47 nm) were more than twice the amplitudes of strongly EPS producing S. epidermidis ATCC35984 (21 nm). No differences were found between Staphylococcus aureus strains differing in membrane crosslinking. High vibrational amplitudes corresponded with low dissipation shifts in QCM-D. In streptococci, the polyelectrolyte network surrounding a bacterium, is formed by fibrillar surface appendages and spring constants derived from vibrational amplitudes decreased with increasing fibrillar density. In staphylococci, EPS constitutes the main network component and larger amounts of EPS yielded higher spring constants. Spring constants increased with increasing ionic strength and strains with smaller electrophoretically derived bacterial cell surface softnesses possessed the highest spring constants. 96

4 In chapter 2 we measured vibration amplitudes on glass. Often however, bacteria do not adhere to bare surfaces but to adsorbed protein films, on which adhesion involves highly specific ligand-receptor binding next to non-specific DLVO interaction forces. Therefore we have determined in Chapter 3 the contribution of adsorbed salivary protein and fibronectin films to vibrations exhibited by adhering streptococci and staphylococci, respectively. The streptococcal strain used has the ability to adhere to adsorbed salivary proteins films through antigen I/II ligand-receptor binding, while the staphylococcal strain used adheres to adsorbed fibronectin films through a proteinaceous ligand-receptor bond. In absence of ligand-receptor binding, electrostatic interactions had a large impact on vibration amplitudes of adhering bacteria on glass. On an adsorbed salivary protein film, vibration amplitudes of adhering streptococci depended on the film softness as determined by QCM-D, and were reduced after film fixation using glutaraldehyde. On a relatively stiff fibronectin film, crosslinking the film in glutaraldehyde hardly reduced its softness and accordingly fibronectin film softness did not contribute to vibration amplitudes of adhering staphylococci. However, fixation of the staphylococcus-fibronectin bond further decreased vibration amplitudes, while fixation of the streptococcus bond hardly impacted vibration amplitudes. Summarizing, this study shows that both the softness of adsorbed protein films as well as the properties of the bond between an adhering bacterium and an adsorbed protein film play an important role in bacterial vibration amplitudes. These nanoscopic vibrations reflect the viscoelasticity of the bacterial bond with a substratum and play important roles in bacterial adhesion, detachment and susceptibility to antimicrobials. In Chapter 4, we hypothesize that oral bacteria adhering to salivary-conditioning films become more difficult to remove after exposure to antimicrobials due to stiffening of their adhesive bond. In order to verify this hypothesis, bacteria adhering to bare and saliva-coated glass were exposed to three different mouthrinses (containing: chlorhexidine-digluconate, cetylpiridinium-chloride or amine-fluoride), after which bacterial vibration spectroscopy was carried out or a liquid-air interface was passed over the adhering bacteria to stimulate their detachment. We first determined Brownian motion-induced nanoscopic vibration amplitudes of four oral streptococcal strains, reflecting their bond stiffness. Exposure to either of the selected mouthrinses yielded more positively charged bacteria by particulate microelectrophoresis, exhibiting smaller vibration amplitudes due to stiffening of their adhesive bond. Concurrently, the percentage detachment of the adhering bacteria upon the passage of a liquid-air interface decreased after exposure to mouthrinses. A buffer control left both vibration amplitudes and detachment percentages unaffected. To rule out that exposure of adhering bacteria to the mouthrinses stimulated polysaccharide production with an impact on their detachment, Fourier-transform-infrared-spectroscopy was carried out on bacteria adhering to an internal reflection element, prior to and after exposure to the antimicrobials. IR absorption band areas indicated no change in amount of 97

5 polysaccharides after exposure of adhering bacteria to mouthrinses, but wave number shifts demonstrated stiffening of polysaccharides in the bond, as a result of which vibration amplitudes decreased and detachment became more difficult. These findings confirm our hypothesis that adhesive bond stiffening between oral bacteria and surfaces occurs upon exposure to oral antimicrobials leading to more difficult removal of the adhering bacteria. So far we have studied the nanoscopic vibrations of various bacterial species and noticed that the pattern of the position maps is different. Therefore, we have hypothesized in Chapter 5 that the pattern of the position maps is a characteristic of a bacterial strain. We studied position map patterns of twelve bacterial strains, including both Gram-positive and Gram-negative strains, with different aspect ratios and vibration amplitudes. Bacterial position maps appear in three distinct patterns that are typical signatures of the particular bacterial strains. For most of the spherical bacteria like S. aureus, the patterns showed a highly-centralized disk shape with a diameter which represents the vibration amplitude. For non-spherical bacteria like Streptococcus mutans with an aspect ratio larger than 1.2, the position map pattern showed a ring shape under static conditions, always accompanied by high vibration amplitudes. Half moon shaped position patterns were found for bacteria under flow conditions, emerging from both disk- and ring-shaped position patterns. Each of these position map patterns suggest different vibrational modes and supports our hypothesis, suggesting that the shape of bacteria, the absence or presence of flow and the corresponding vibration amplitudes are the major factors defining distinct vibration patterns for different bacterial strains. In the general discussion (Chapter 6) we simulated random Brownian motion of a bound bacterium in Matlab. We were able to generate similar random motion patterns as was observed from the experimental data. This may serve as an indirect prove that the bacterial vibrations are originally Brownian movements of bound bacteria. Moreover, we demonstrated that the change in persistence length of the polymer chains due to changes of the ionic strength is fully reversible and bacterial vibrations are a highly sensitive parameter for characterizing the bond between the bacterium and the substratum. This thesis introduced a novel analysis tool called vibrational spectroscopy in order to unravel the complex nature of bacterial adhesion and is simple and easy to use in contrast to AFM and QCM-D. 98

6 Samenvatting 99

7 Bacteriële hechting vindt plaats op vrijwel elk natuurlijk of door de mens gecreëerd oppervlak. Het onderzoeken van bacteriële hechting is gedurende de laatste tien jaar geïntensiveerd en heeft geleid tot een beter begrip van de onderliggende mechanismen. Een belangrijk onderzoeksgebied binnen dit veld is gerelateerd aan de aantrekkende krachten die betrokken zijn bij de interacties tussen bacteriën en oppervlakken. Vele theoretische modellen en technische methoden zijn ontwikkeld in pogingen om de sterkte en het karakter van de aantrekking te meten. De analyse van door Brownse beweging veroorzaakte bacteriële vibraties geven een nieuwe, makkelijke en directe manier om de viscoelastische binding tussen een bacterie en een oppervlak te karakteriseren. Hoofdstuk 1 geeft een overzicht van de mechanismen van specifieke en niet-specifieke bacteriële hechting. Het eerste doel van dit proefschrift is het ontwikkelen van bacterie-vibratiespectroscopie als een nieuwe methode om de viscoelasticiteit van de binding tussen hechtende bacteriën en oppervlakken te analyseren en om kritisch te kijken naar de voordelen van vibratiespectroscopie in vergelijking met de huidige methoden, zoals atomaire kracht microscopie (AFM) en de dissipatie kwartskristal-microbalans (QCM-D). Het tweede doel is om te onderzoeken wat de invloed is van algemene hechtingsfactoren op de vibratie-amplitudes van bacteriën: factoren die een rol spelen bij specifieke en niet-specifieke bacteriële hechtingsmechanismen. Bacteriën die hechten aan oppervlakken laten willekeurige nanoscopische vibraties rond hun evenwichtspositie zien. In Hoofdstuk 2 hebben we de vibratie-amplitudes van bacteriën op glas bestudeerd en veerconstanten van de binding daarvan afgeleid. Vervolgens werden deze amplitudes gerelateerd aan de elektroforetische zachtheid van de celoppervlakken en dissipatie verliezen in QCM-D. Experimenten werden uitgevoerd met zes bacteriestammen die paarsgewijs verschilden qua karakteristieken van hun celoppervlak. Vibratie-amplitudes waren het hoogst in suspensies met een lage ionsterkte. Onder invloed van vloeistofstroming waren de vibratie-amplitudes lager in de richting van de stroming dan loodrecht erop, doordat het uitrekken van de polymeren op het bacterie-oppervlak in de richting van de vloeistofstroom verstijving van het poly-elektrolyt netwerk rond een bacterie veroorzaakt. Onder statische condities (0.57 mm) waren de vibratie-amplitudes van Streptococcus salivarius HB7 (145 nm) hoger dan die van een kale mutant, HB-C12 (76 nm). Amplitudes van Staphylococcus epidermidis ATCC35983 (47 nm) die slechts in geringe mate extracellulaire polymere substanties (EPS) produceert, waren meer dan twee keer zo hoog als de amplitudes van S. epidermidis ATCC35984 (21 nm), die meer EPS produceert. Er werden geen verschillen waargenomen tussen Staphylococcus aureus stammen die verschilden in hun mate van membraancrosslinking. Hoge vibratie-amplitudes kwamen overeen met lage dissipatie verliezen in QCM-D. In streptokokken wordt het poly-elektrolyt netwerk gevormd door fibrillen op het celoppervlak en de van veerconstanten afgeleide vibratieamplitudes daalden met dalende dichtheid van de fibrillen op het celoppervlak. In stafylokokken bestaat het netwerk voornamelijk uit EPS en meer EPS zorgde voor 100

8 hogere veerconstanten. Veerconstanten namen toe met toenemende ionsterkte en stammen die elektroforetisch gezien een zachter oppervlak hadden, vertoonden de hoogste veerconstanten. In hoofdstuk 2 hebben we de vibratie-amplitudes gemeten op glas. Vaak hechten bacteriën echter niet op kale oppervlakken maar op geadsorbeerde eiwitlagen, zodat hechting niet alleen afhangt van niet-specifieke DLVO interacties maar ook van specifieke ligand-receptor bindingen. Vandaar dat we in Hoofdstuk 3 de bijdrage van geadsorbeerde speekseleiwitten en fibronectine op de vibraties van hechtende bacteriën hebben bepaald, voor respectievelijk streptokokken en stafylokokken. De gebruikte streptokok heeft de mogelijkheid om op geadsorbeerde speekseleiwitten te hechten door een antigeen I/II ligand-receptor binding, terwijl de gebruikte stafylokok een specifieke ligand-receptor binding aangaat met fibronectine. In de afwezigheid van ligand-receptor bindingen hadden elektrostatische interacties een grote invloed op de vibratie-amplitudes van hechtende bacteriën op glas. Op geadsorbeerde speekseleiwitten waren vibratie-amplitudes van hechtende streptokokken afhankelijk van de filmzachtheid zoals die bepaalt was door QCM-D, en daalden de vibratie-amplitudes na het fixeren van de film met glutaaraldehyde. Op een relatief stijve fibronectine film had het crosslinken met glutaaraldehyde nauwelijks effect op de zachtheid en leverde het dus geen bijdrage in de vibratieamplitude van hechtende stafylokokken. Het fixeren van de stafylokok-fibronectine binding echter, verlaagde de vibratie-amplitude wel, terwijl fixatie van de streptokokken binding nauwelijks invloed had op vibratie-amplitudes. Samenvattend laat deze studie zien dat zowel de zachtheid van de geadsorbeerde eiwitten als ook de eigenschappen van de binding tussen een hechtende bacterie en de geadsorbeerde eiwitten een belangrijke rol spelen in vibratie-amplitudes van bacteriën. Deze nanoscopische vibraties tonen de viscoelasticiteit van de bacteriële binding met het oppervlak en spelen een belangrijke rol in bacteriële hechting, het weer los komen en ook de gevoeligheid voor antimicrobiële substanties. In Hoofdstuk 4 formuleren we de hypothese dat door het verstijven van de binding orale bacteriën die hechten aan speekseleiwitten moeilijker te verwijderen zijn na blootstelling aan mondspoelmiddelen. Om deze hypothese te verifiëren zijn hechtende bacteriën op kale en met speeksel gecoate glasoppervlakken blootgesteld aan drie verschillende mondspoelmiddelen (antimicrobiële component: chloorhexidine-digluconaat, cetylpyridinium-chloride of amine-fluoride), waarna nanoscopische vibratie-amplitudes werden bepaald en er werd ook gekeken of verwijdering van hechtende bacteriën door een vloeistof-luchtgrensvlak werd gestimuleerd. We hebben eerst de door Brownian-motion geïnduceerde nanoscopische vibratie-amplitudes bepaald van vier orale bacteriestammen, wat de stijfheid van bacteriële bindingen weer geeft. Het blootstellen aan één van de drie geselecteerde monspoelmiddelen leidde tot positiever geladen bacteriën die kleinere vibratie-amplitudes toonden door het verstijven van de binding. Gelijktijdig daarmee nam het loslaten van bacteriën, die waren blootgesteld aan een 101

9 mondspoelmiddel, af na de passage van een vloeistof-luchtgrensvlak. Een controlebuffer liet zowel de vibratie-amplitudes als het percentage loslatende bacteriën onveranderd. Om uit te sluiten dat het blootstellen van hechtende bacteriën aan mondspoelmiddelen polysacharide productie stimuleerde, wat een invloed kan hebben op het loslaten van bacteriën, werd Fourier-transformatie infrarood- spectroscopie gebruikt op hechtende bacteriën aan een intern reflectie element, voor en na blootstelling aan een mondspoelmiddel. IR absorptie spectra toonden geen verschil in de hoeveelheid polysaccharide na blootstelling van hechtende bacteriën aan een mondspoelmiddel, maar er was wel een verschuiving in de golflengte van de polysacharide band wat duidt op stijvere polysachariden bindingen, waardoor de vibratie-amplitudes afnamen en het loslaten van bacteriën moeilijker werd. Deze bevindingen bevestigen onze hypothese dat orale bacteriën moeilijker te verwijderen zijn na blootstelling aan mondspoelmiddelen door het verstijven van de binding tussen bacteriën en oppervlakken. Tot nu toe hebben we de nanoscopische vibraties van verschillende bacteriesoorten bestudeerd en is opgevallen dat de positiepatronen onderling verschillen. Vandaar dat we in Hoofdstuk 5 de hypothese formuleren dat het positiepatroon een karakteristiek is van de bacteriestam. We hebben positiepatronen van twaalf verschillende bacteriën bestudeerd, waaronder zowel Gram-positieve als Gramnegatieve stammen, met verschillende aspectratio s en vibratie-amplitudes. Bacteriële positiepatronen lijken drie verschillende vormen te vertonen die typisch zijn voor een bepaalde bacteriestam. De meeste bolvormige bacteriën, zoals S. aureus, vertoonden een schijfvormig patroon waarvan de diameter de vibratieamplitude vertegenwoordigt. Positiepatronen van niet-bolvormige bacteriën zoals Streptococcus mutans met een aspectratio van 1.2 en hoge vibratie-amplitudes, vertoonden een ringvorm onder statische condities. Halve-maanvormige positiepatronen werden gevonden voor bacteriën onder vloeistofstroming, vanuit zowel schijf- als ringvormige patronen. Elk van deze positiepatronen suggereert verschillende vibratiemodi en steunen onze hypothese die stelt dat de vorm van bacteriën, de aan- of afwezigheid van een vloeistofstroom en de overeenkomende vibratie-amplitude de meest bepalende factoren zijn voor het verklaren van de specifieke vibratiepatronen van verschillende bacteriestammen. In de algemene discussie (Hoofdstuk 6) hebben we de Brownse beweging van een gehechte bacterie gesimuleerd in Matlab. We waren in staat om een zelfde, willekeurig bewegingspatroon te generen als werd waargenomen in de experimentele data. Dit geeft indirect aan dat bacteriële vibraties in essentie Brownse bewegingen zijn van gehechte bacteriën. Daarnaast hebben we ook aangetoond dat de verandering in de lengte van de polymeren door veranderingen in ionsterkte compleet reversibel is en dat bacteriële vibraties een zeer gevoelige parameter zijn voor het karakteriseren van de binding tussen een bacterie en het oppervlak. Dit proefschrift introduceert daarmee vibratiespectroscopie als een nieuwe analysemethode om de complexe natuur van bacteriële hechting te 102

10 ontrafelen die, in tegenstelling tot bijvoorbeeld AFM en QCM-D, simpel te gebruiken is. 103

11 104

12 摘要 105

13 细菌粘附几乎产生于所有的自然或人造材料的表面 细菌粘附在过去十年中得到了充分的研究, 使得我们更好地了解了底层的粘附机制 在这一领域一个很重要的研究方向是关于细菌和基底表面之间相互作用的吸引力 许多理论模型和技术方法被用来推断或测量这种吸引力的强度和特征 然而通过分析布朗运动导致的细菌振动为我们提供了一种新颖的, 方便和直接的方式来表征细菌和基底之间的粘弹性 第一章概述了细菌粘附的机制, 其中包括非特异性以及特异性粘附 本文的第一个目标是开发细菌振动光谱来让其作为一种新的方法去分析细菌和基底之间的粘弹性, 并通过一些已知的方法来评估细菌振动光谱的可行性, 比如原子力显微镜 (AFM) 或具有耗散检测功能的石英晶体微天平 (QCM-D) 第二个目的是确定的一些非特异性以及特异性影响因素对于粘附细菌振动的影响 粘附的细菌展现出随机的, 纳米级的基于平衡位置的振动 在第二章中, 我们研究了细菌在玻璃表面的振动幅度 通过振动幅度推导出了结合键的弹簧常数, 并与电泳方法测量到的柔软度和石英晶体微天平所测量到的耗散位移相关联 实验选取了 6 种不同的细菌菌株并且根据其表面特性两两成对比较 在较低离子浓度的缓冲液中细菌显示出最大的振动幅度 在有流体流动的情况下, 振动振幅在流动方向上要较垂直流动方向低, 其主要是因为细菌表面的聚电解质网络由于流体的拉升作用而出现了强化现象 在静态条件下 (0.57 毫摩尔 ), 表面存在纤毛的唾液链球菌 HB7 的振动幅度 (145 纳米 ) 比表面没有纤毛的 HB-C12 (76 纳米 ) 要高的多 表面较少胞外聚合物 (EPS) 的表皮葡萄球菌 ATCC35983 的振动幅度 (47 纳米 ) 也比表面存在大量胞外聚合物的表皮葡萄球菌 ATCC35984 (21 纳米 ) 要多出一倍以上 对于细胞膜交联程度不同的金黄色葡萄球菌之间没有显示出明显差异 并且较高的振幅往往对应于较低的耗散变化 对于链球菌而言, 细菌周围的聚电解质网络是由纤毛状表面附属物组成并且其弹簧常数会随着纤毛密度的增加而下降 对于金黄色葡萄球菌而言, 聚电解质网络由胞外聚合物组成并且较大量的胞外聚合物则会使得弹簧常数也较大 弹簧常数也会随之离子浓度的增加而增加并且较低的细菌表面柔软度往往具有相对较高的弹簧常数 在第二章中, 我们测量了细菌在玻璃表面的振幅 然而在大多数条件下细菌并不是附着于一个光的表面而是吸附在蛋白质膜之上, 因此在非异性的 DLVO 作用力之上在蛋白表面的粘附还涉及到高度特异性的配体 - 受体结合键 因此, 在第三章我们研究了唾液蛋白和纤维连接蛋白之上链球菌和葡萄球菌的振动 链球菌菌株通过抗原 I / II 配体 - 受体结合而能够吸附于唾液蛋白膜之上, 而金黄色葡萄球菌菌株则通过蛋白质配体 - 受体的结合而吸附于纤维连接蛋白之上 在不存在配体 - 受体结合的情况下, 静电作用力对在玻璃表面上附着的细菌的振幅产生很大的影响 而在唾液蛋白表面, 粘附的链球菌的振动振幅则取决于于通过 QCM-D 测量到的膜的柔软性, 并且使用戊二醛固定蛋白质膜能显著降低细菌的振动幅度 而对于相对刚性的纤维连接蛋白膜的表面, 戊二醛交联的蛋白质膜几乎不能降低其柔软性, 并对于粘附的葡萄球菌的振动振幅没有任何影 106

14 响 然而, 通过将金黄色葡萄球菌以及纤维连接蛋白整个体系一起固定却能进一步降低振幅, 而固定链球菌和唾液蛋白体系难以影响振幅 总之, 这项研究表明吸附的蛋白质膜的柔软性, 以及结合键的特性对于细菌振幅起到了重要作用 这些纳米级的振动反映细菌与基底材料间的粘弹性并且这一发现对于研究细菌粘附, 脱离和抗菌剂敏感度的研究有重要意义 在第四章中, 我们假设了粘附于唾液表面的口腔细菌由于接触了抗菌剂之后结合变紧而更加难以去除 为了验证这一假设, 实验选取了四种口腔细菌粘附于光的和唾液涂覆的玻璃表面, 然后分别使用三种不同的漱口水进行处理, 此后研究了细菌振动的振幅以及在体系里面穿过一个气泡来施加一个外部的分离作用力并研究分离细菌的百分比 实验首先研究了四种不同细菌的振幅, 即其结合键强度 结果显示三种漱口水处理之后的细菌表面正电荷得到了增强, 由于结合键的增强, 粘附的细菌呈现出较小的振动幅度 同时漱口水处理之后的细菌的分离比例也明显下降 使用缓冲液的对照组对振幅和分离百分比都没有产生任何影响 为了排除由于细菌接触到漱口水之后有可能刺激其表面多糖的分泌从而影响到其分离, 因此我们采用傅立叶变换红外光谱对细菌在漱口水处理前后进行了分析, 红外光谱吸收峰面积并没有显示出多糖在接触漱口水前后出现量上的变化, 但是峰值的改变证明了多糖的结合键出现了增强, 其结果是振动振幅减小和分离变得更加困难 这些发现证实漱口水会使得口腔细菌和表面之间的结合键增强因而使得粘附细菌更难被移除 到目前为止, 我们已经研究了各种不同细菌的纳米级振动, 研究发现它们之间的位移分布的方式不尽相同 因此我们在第五章假设不同细菌的位移分布方式也是一种表征不同细菌的特性 我们共研究了 12 种细菌菌株, 包括革兰氏阳性和革兰氏阴性菌株, 具有不同纵横比和振动幅度 细菌位移分布方式显示出三种不同的图案, 并且特定的细菌菌株的显示出不同的特征 对于大多数的球形细菌比如金黄色葡萄球菌, 图案呈高度集中的圆盘形状, 它直接表示了振幅的大小 对于非球形细菌比如变形链球菌, 当其纵横比大于 1.2 时, 在静止状态下其位移分布显示出环状, 并且总是伴随着较高的振动振幅 而在流体环境下, 细菌位移分布显示出半月形分布, 而非圆盘和环形分布 每个分布方式都代表了不同的振动模式并且验证了我们的假设, 这表明细菌的形状, 是否存在水流以及相应振动幅度是影响不同细菌菌株的振动模式的主要影响因素 在最后的讨论里 ( 第 6 章 ) 我们使用 Matlab 模拟了细菌的随机布朗运动 我们模拟到了和实验类似的随机运动模式 这可以用作间接证明细菌振动是由于布朗运动作用的结果 此外, 我们证明由于离子浓度而改变的聚合物链的长度变化是一个完全可逆的过程并且细菌振动对于表征细菌和基底之间的结合键高度敏感 总体而言, 本论文介绍了一种新颖的分析工具来分析复杂情况下细菌的粘附, 我们可称之为振动光谱法, 并且相比起 AFM 和 QCM-D 而言要简单得多 107

15 108

16 Acknowledgements 109

17 During the past four years, I always wanted to graduate as soon as possible, but when this day finally approaches, I really cannot bear the thought of leaving you all. I was so grateful to be a part of the BME department, I was also grateful for the positive atmosphere in our department and the excellent colleagues I could work with. The completion of this thesis would not have been possible without your valuable help. Here, I would like to express my deepest gratitude to all those whose kindness and generous support have made this work possible. First, I would like to give my gratitude to Henk, thank you for taking the right decision to let me studying bacterial vibrations after a first year without any results on a different topic, thank you for all the guidance during my PhD project. You are the one who lead me into real science and without your strong support, this thesis could not have been made in its present form. Second, I would like to give my heartfelt thanks to Henny, thank you for providing me with extraordinary patience for the past four years. I still remember my first interview with you in your office, I really appreciated your affirmation and the fact that you gave me the position after another round of interviews. It completely changed my life. A simple thank you is not enough to express my gratitude to you, but thank you for everything. Jelmer, as my daily supervisor, you gave me your best support during my PhD, I always enjoyed our meetings on every Friday morning because I always learned a lot of you. You walked me through all the stages of my PhD. On the completion of my thesis, I gratefully acknowledge your illuminating instruction. Prof. Martien Cohen Stuart, Prof. Jan Maarten van Dijl and Prof. Hong Chen, thank you very much for being a member of the reading committee for my thesis. Thank you for all the comments and suggestions which made this thesis getting better. Prof. Willem Norde, I am extremely impressed with your professionalism and common touch with students. Thank you for all the talking and comments on my project and the Langmuir paper which became much more solid with you suggestions. Prashant, thank you for always listening to me and helping me to figure out the problems. You are not only a professor, but also a close friend to me. I also owe my sincere gratitude to your family for the special gift when Kevin was born. Hans, thank you for your observation of bacterial vibration and making the program to analyse the images. You prepared the technical part of this project, thank you for all your assistance. Roel, thank you for the recommendation of a book after my lunchmeeting, I learned a lot from that book, also thank you for your constant concern about me and Kevin. 110

18 Yijin, I much appreciated your encouragement and useful instructions during our Sushi dinner together. It was the best Sushi I had in The Netherlands. Thanks for the nice gift to Kevin, it means a lot to Anna and me. Ina, Willy, thank you for all the daily assistance and support during the past four years. Wya, thank you very much for the financial and administrative support. Rene, Gésinda, Betsy, Marja, Marianne, Joop, Minnie, Ed, Willem, Jelly, Babs, Corien, Danielle, and Chris, thank you for teaching me the basic techniques since the first day I started my work in the laboratory. We also had a lot of discussions about how to care for the baby and understand its needs. I have learned lots of things from all of you, beside science. Jan, thank you for helping me with the Dutch summary. Also thank you for numerous stimulating discussions and advices in the laboratory. JP and Qihui, thank you for being my paranimfen and organizing everything for me. Thank you for your support in my last year. I would like to express my gratitude to all the BME colleagues, including but not limited to Adam, Ahdi, Agnieszka, Akshay, Arina, Barbara, Brandon, Das, Deepak, Ed, Ferdi, Gulcan, Guru, Hilde, Jesse, Katja, Lisanne, Lucja, Mark, Mihaela, Mojtaba, Nina, Otto, Patrick, Philip, Rebecca, Rene, Romana, Sara, Simon, Stefan, Steven, Vera and Victor. Thank you for being the surrogate family during the past four years when I stayed in Groningen and thank for your endless moral support. Thanks guys. Then I wish to express my sincere gratitude to my Chinese friends and colleagues in Groningen. We had a lot of gaming and dinner nights together which made me feel at home: Jiuyi and his family, Yun and his family, Peter, Wenwen, Helen, Eva, Yingruo, Bu, Lynn, Jenny, Jianjun, Wangli, Dongdong, Jun, Pei, Jingyi, Shuo, Deli, Qi, Ranran. In particular, I must thank Raquel, Carlos, Niar, Joana, Brian and Feifei. I am extremely grateful to you for all the assistance and support you have provided for me, Anna and Kevin. There are no words to thank you for everything that you have done for us as friends, and I will miss all the moments we had. My dearest Anna, I can feel your love every day, because your love makes all hard moments gentle. I really appreciated your encouragements whenever I questioned myself. Working with you in the same department is the happiest thing in this world, love is not only about being together, we also had a lot of discussions about our research and always tried to help each other. I hope we can also work together in the future. My little Kevin, if there is an angel in this world, it must be you. Thank God for bringing you to me. Dear Anna and Kevin, I love you both, always have, and always will. 111

19 Finally, I am forever indebted to my parents for their understanding, sacrifice and endless patience when it was most required. 112