Electric polarization properties of single bacteria measured with electrostatic force microscopy. Theoretical and practical studies of Dielectric constant of single bacteria and smaller elements

Abstract

The present thesis is included in the field of nanobioelectricity. That is, understanding the electrical properties of biological specimens at the nanoscale (< 200 nm). To do so we used an electrical variation of the Atomic Force Microscope called Electrostatic Force Microscope (EFM). By the application of a novel methodology (experimental and theoretical) we were able to obtain electrical polarization properties of single bacteria. Firstly the methodology was applied to calibration samples were the dielectric constant was already known. The obtained value for a silicon nitride sample was 7.6 and the nominal value for this material is 6-8 (depending on stoichometry). Also a silicon oxide sample was studied obtaining a dielectric constant of 3.9 while the nominal value is 4. Both calculations validate the used methodology. Moving to bacteria we found that the effective dielectric constant, for the four bacterial types investigated (Salmonella typhimurium, Escherchia coli, Lactobacilus sakei, and Listeria innocua) is around 3-5 under dry air conditions. Under ambient humidity, it increases to 6-7 for the Gram-negative bacterial types (S. typhimurium and E. coli) and to 15-20 for the Gram-positive ones (L. sakei and L. innocua). We show that the measured effective dielectric constants can be consistently interpreted in terms of the electric polarization properties of the biochemical components of the bacterial cell compartments and of their hydration state. These results demonstrate the potential of electrical studies of single bacterial cells. Finally a comparison of these results with smaller ones (namely nanoparticles and viruses) was performed in the theoretical side obtaining that the geometrical factors of the sample have a larger influence in the small objects. Also it was concluded that while there exist some analytical approximations to work with them, these are not applicable to larger objects like bacteria. This work confirms that dielectric measurements of single bacterial cells can be correlated with the electric polarization response of their biochemical constituents and their internal structure, thus opening interesting possibilities for analytical studies based on the biological electric polarization properties (also with smaller biological entities).

La present tesi està inclosa en l'àmbit de la nanobioelectricitat. És a dir, la comprensió de les propietats elèctriques de les mostres biològiques a escala nanomètrica (< 200 nm ). Per a això es va utilitzar una variant elèctrica del Microscopi de Força Atòmica (AFM) anomenat Microscopi de Força Electrostàtica (EFM). Mitjançant l'aplicació d'una metodologia nova (experimental i teòrica) hem estat capaços d'obtenir propietats de polarització elèctrica de bacteris individuals. En primer lloc es va aplicar la metodologia a certes mostres de calibratge amb constant dielèctrica ja conegudes. El valor obtingut per a una mostra de nitrur de silici va ser de 8.2 i el valor nominal d'aquest material és de 7-8 (depenent de la estoicometria). Passant als bacteris, es va trobar que la constant dielèctrica efectiva, per als quatre tipus de bacteris investigats (Salmonella typhimurium, Escherichia coli, Lactobacilus sakei, i Listeria innocua) és al voltant de 3-5 en condicions d'aire sec. En virtut de la humitat ambiental, aquesta augmenta a 6-7 per als tipus de bacteris Gram-negatius (S. typhimurium i E. coli) i a 15-20 per als Gram-positius (L. sakei i L. innocua). Es demostra que les constants dielèctriques eficaces mesurades poden ser interpretades consistentment en termes de les propietats de polarització elèctriques dels components bioquímics dels compartiments cèl•lulars i del seu estat d'hidratació. Finalment una comparació d'aquests resultats amb objectes més petits (és a dir, nanopartícules i virus) en el seu aspecte teòric va concloure que els factors geomètrics de la mostra tenen una major influència en els objectes petits. També es va concloure que, si bé hi ha algunes aproximacions analítiques per treballar amb ells, aquestes no són aplicables a objectes més grans, com ara els bacteris. Aquest treball confirma que les mesures dielèctriques de cèl•lules bacterianes individuals es poden correlacionar amb la resposta de polarització elèctrica dels seus constituents bioquímics i la seva estructura interna, obrint així possibilitats interessants per als estudis analítics sobre la base de les propietats biològiques de polarització elèctrica (cosa també certa en entitats biològiques més petites).