Слизистые, трудно поддающиеся очистке бактериальные маты, называемые биопленками, вызывают различные проблемы, начиная от медицинских инфекций и заканчивая засорением стоков и загрязнением промышленного оборудования. Теперь исследователи из Принстона нашли способ полностью и чисто очистить эту пресловутую грязь.
Глядя на пленки с точки зрения машиностроения, а также с биологической точки зрения, исследователи показали, что проникновение воды через соединение между биопленками и поверхностями в сочетании с нежным отслаиванием может привести к безупречному удалению. Этот результат контрастирует с традиционно неэффективными методами соскабливания или механического удаления биопленки, которые иногда оставляют после себя все еще прилипшие участки, которые отрастают и повторно загрязняют.
Новый метод удаления должен помочь предотвратить образование вредных биопленок, а также контролировать полезные биопленки, которые все чаще используются для очистки сточных вод, микробных топливных элементов и других приложений.
«Мы обнаружили простой и эффективный способ удаления неприятных биопленок с различных поверхностей», - сказал Цзин Ян, младший научный сотрудник, работающий совместно в Принстонских лабораториях Говарда Стоуна, Дональда Р. Диксона '69. и Элизабет В. Диксон, профессор машиностроения и аэрокосмической техники; и Бонни Басслер, профессор молекулярной биологии Сквибб и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза.
Работа, соединяющая молекулярную биологию, материаловедение и машиностроение, использовала преимущества совместных исследовательских сообществ между молекулярной биологией и инженерией.
Ян является со-ведущим автором статьи с описанием результатов, опубликованной 8 октября в Advanced Materials, вместе с Алексис Моро, которая была приглашенным студентом в лаборатории Стоуна и сейчас вернулась в Университет Монпелье в Франция.
«Исследуя и определяя материальные свойства бактериальных биопленок, а не их биологические свойства, мы изобрели новый метод отделения целых биопленок», - сказал соавтор исследования Басслер.
Другими авторами исследования являются Нед Вингрин, профессор Говарда А. Приора наук о жизни; Андрей Кошмрль, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники; Сепиде Ходапараст, бывший научный сотрудник лаборатории Стоуна, ныне работающий в Имперском колледже Лондона; младший научный сотрудник Самприти Мукерджи; постдокторские исследователи Джи Фэн, Шэн Мао и Антонио Пераццо; и аспирант Чени Фей.
Для своего исследования ученые из Принстона обратились к бактерии Vibrio cholerae, которая образует биопленки в морской и пресной воде, а также в кишечнике человека. Измерения показали, что биопленки, которые он производит, демонстрируют механическое поведение, очень похожее на гидрогели, которые широко изучаются в лаборатории Стоуна.
Хорошо охарактеризованные гидрогели, которыми можно манипулировать, имеют множество применений, особенно в биомедицине, включая перевязку ран, доставку лекарств и тканевую инженерию. И биопленки, и гидрогели в основном состоят из воды (около 90 процентов). Они обладают определенной структурной сетью, которая делает их мягкими, вязкими и эластичными. Однако их эластичность имеет предел. Если их слишком сильно потревожить, биопленки и гидрогели разорвутся на куски. Эта хрупкость создает проблему для удаления биопленки. Это также препятствует преднамеренному переносу полезных пленок между поверхностями, например, в промышленных условиях и при проведении экспериментов в лаборатории, чтобы в первую очередь лучше понять биопленки.
Чтобы узнать, как избежать такой фрагментации, команда из Принстона изучила прикрепление биопленок V. cholerae к различным типам поверхностей. Исследователи увидели, что края биопленок были водоотталкивающими, а поверхности, к которым они прилипали, иногда были водопривлекательными. Основываясь на этом понимании, исследователи стремились вбить клин между биопленкой и прикрепленной к ней поверхностью, загоняя воду в пространство, в котором встречаются материалы. Этот метод, известный как капиллярный пилинг, успешно создал удлиняющуюся трещину, которая привела к полному отделению биопленки от поверхности. Водный пилинг должен проходить медленно, чтобы предотвратить разрывы биопленки - сродни осторожному удалению наклейки - но результаты показали, что дополнительное время того стоило. «Наш метод капиллярного пилинга сработал на удивление хорошо», - сказал Ян.
Одним из препятствий для развертывания метода за пределами лаборатории является то, что многие биопленки существуют в уже водной среде, где капиллярный пилинг, по-видимому, не подходит. Для этих случаев Ян и его коллеги предложили два возможных решения для изучения в будущих исследованиях. Для биопленок, первоначально выращенных под водой, пленку и прилипший к ней объект можно было удалить из раствора и высушить перед попыткой удаления. В качестве альтернативы, введение пузырьков на поверхность раздела биопленка-субстрат может создать такую же капиллярную силу.
В целом, новое исследование иллюстрирует ценность междисциплинарного подхода, объединяющего различные области для получения ключевых новых идей.
Биологические системы должны подчиняться законам физики и во многих случаях также использовать физику для достижения своих целей, сказал Шмуэль Рубинштейн, адъюнкт-профессор прикладной физики Гарвардского университета, не участвовавший в исследовании. «Междисциплинарная команда в этом исследовании, объединяющем инженерию, теорию и биологию, действительно идеально подходит для решения сложной проблемы биопленок».
Princeton's Stone перекликается с замечанием Рубинштейна о том, что результаты исследования и перспективы их применения в реальном мире проистекают из связи дисциплин.
«Студенты и постдоки под руководством Цзин проделали потрясающую работу по выработке подробного понимания связи между биологическими компонентами и макроскопическими механическими свойствами биопленок», - сказал Стоун.«Наша демонстрация того, что биопленки могут быть отслоены - неповрежденными - может оказаться полезной во многих отношениях в будущем».
Работа была поддержана Медицинским институтом Говарда Хьюза, Национальным научным фондом и Фондом Александра фон Гумбольдта Общества Макса Планка.