Capcane luminoase utilizate pentru a controla formarea biofilmului: un studiu

WASHINGTON – Biofilmele – straturi lipicioase care se formează atunci când bacteriile se lipesc unele de altele pe o suprafață – permit bacteriilor să se protejeze de mediile dure și chiar să evite antibioticele. Într-un nou studiu, cercetătorii au arătat că lumina laser sub formă de capcane optice poate fi folosită pentru a controla formarea biofilmului. Descoperirile ar putea permite oamenilor de știință să valorifice aceste straturi microbiene pentru diverse aplicații de bioinginerie.

„Producerea componentelor microscopice necesită de obicei un proces de fabricație de înaltă tehnologie, dar am descoperit că penseta optică poate fi folosită pentru a controla cu precizie poziția bacteriilor individuale sau a grupurilor de bacterii”, a declarat Anna Bezryadina, liderul echipei de cercetare de la Universitatea din California, California. Universitatea de Stat din California Northridge. „Acest lucru ne permite să influențăm modelele de creștere ale structurilor bacteriene la nivel microscopic cu mare precizie.”

În revista Optica Publishing Group Optica Biomedicala Express, cercetătorii raportează experimentele lor folosind capcane luminoase pentru a regla agregarea bacteriană și dezvoltarea biofilmului. Ei au descoperit că diferite tipuri de lasere pot fi folosite pentru a stimula și suprima creșterea biofilmului.

„Putem crea, de asemenea, un fel de Lego bacterian care poate fi mutat, lipit împreună și distrus după cum este necesar”, a spus Bezryadina. „Această muncă ar putea duce la noi tipuri de materiale biodegradabile sau la o nouă generație de biosenzori bazați pe biofilme, de exemplu.”

Utilizarea luminii pentru a controla creșterea bacteriilor

Majoritatea cercetărilor privind biofilmele s-au concentrat pe metode mecanice, chimice și biologice de suprimare și control a biofilmelor. Deși oamenii de știință au arătat că metodele sintetice și chimice pot fi folosite pentru a activa și controla biofilmele și pentru a proiecta biofilmele în structuri spațiale specifice, Bezryadina și echipa ei au vrut să știe dacă metodele optice ar putea fi folosite pentru a controla dinamica biofilmului. Realizarea acestui lucru necesită o echipă multidisciplinară cu experiență în tehnologie optică avansată și microbiologie.

Cercetătorii au efectuat experimente cu Bacillus subtilis, o bacterie nepatogene care formează în mod natural biofilme. Ei au folosit un mediu cu conținut scăzut de nutrienți ostil B. subtilis pentru a stimula bacteriile să formeze un biofilm. După ce au obținut grupuri mici de biofilme, au efectuat experimente de captare optică folosind fie un laser albastru de 473 nm, fie un laser Ti:safir în infraroșu apropiat, care poate fi reglat de la 700 la 1.000 nm.

Ei au descoperit că utilizarea laserelor care emit la o lungime de undă de 820 nm până la 830 nm a permis captarea optică prelungită a agregatelor de biofilm, reducând în același timp daunele foto semnificative. Cu toate acestea, utilizarea unui laser la 473 nm – lungimea de undă cea mai absorbită de bacterii – a cauzat ruptura celulară și dezintegrarea clusterelor de biofilm. Ei au remarcat, de asemenea, că populațiile bacteriene ideale pentru procesarea vizuală constau din trei până la 15 celule.

Crearea tiparului

Când cercetătorii au studiat dinamica bacteriilor și formarea biofilmului folosind pensete optice la o lungime de undă de 820 nm timp de o oră, au descoperit că grupurile de bacterii s-au agregat lângă agregatele prinse optic, au aderat la suprafață și au început să formeze o mică colonie. Ele pot, de asemenea, muta optic populațiile bacteriene prinse în eșantion într-o poziție specifică, ceea ce poate fi util pentru construirea structurilor bacteriilor. Laserele NIR nu par să perturbe formarea de biofilm a populațiilor bacteriene expuse la lasere NIR foarte focalizate, ceea ce înseamnă că lungimile de undă NIR în intervalul 800 nm până la 850 nm pot fi utilizate pentru perioade lungi de timp pentru captarea optică, manipulare și formarea modelului. A populațiilor bacteriene.

„Deși formarea biofilmului bacterian este necontrolată în natură, munca noastră a arătat că formarea biofilmului bacterian poate fi influențată de lumină”, a spus Bezryadina. „Această cercetare reprezintă primul pas într-un proiect pe termen lung de a crea materiale de construcție microscopice din resurse ușor disponibile, cum ar fi bacteriile. În studiile viitoare, intenționăm să folosim ceea ce găsim pentru a dezvolta un proces de construire a structurilor din blocuri bacteriene Lego”.

În general, experimentele au arătat o oarecare flexibilitate în condițiile exacte de creștere, dimensiunile populației și lungimile de undă necesare pentru a manipula biofilmele. Cercetătorii spun că este posibil să se folosească metodologia lor și cu alte tipuri de microorganisme care formează biofilm.

Lucrare: C. Camba, B. Walter-Lakes, P. Digal, S. Taheri-Araghi, A. Bezryadina, „Formarea și manipularea biofilmului folosind pensete optice”,

Biomed. El alege, decide. folderul expres. 15, nr. 2, p. 1181-1191 (2024).

doi: doi.org/10.1364/BOE.510836

Despre Biomedical Optics Express