Работая с легкими и генетически модифицированными бактериями, исследователи из Стэнфордского университета могут формировать рост бактериальных сообществ. От горошка до полосок и схем, они могут создавать замысловатые узоры за одну ночь. Метод, описанный 19 марта в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, позволяет получать биопленки, выращенные с разрешением 25 микрометров, что составляет примерно четверть размера крупинки поваренной соли.
«Большинство бактерий на Земле живут в сообществах биопленок, а биопленки очень важны для здоровья - например, налета на наших зубах или бактериальной инфекции, вызванной катетером», - сказал Ингмар Ридель-Крузе, доцент биоинженерии и старший автор статьи.«Понимание того, как функционируют биопленки, является важным вопросом на многих уровнях».
Группа заявила, что этот метод может прояснить, как растут биопленки, и привести к развитию новых биоматериалов или синтетических микробных сообществ, которые могут быть реализованы в небольших устройствах или системах, таких как микрожидкостные чипы или схемы на основе биопленки.
Биопленочная литография
Метод группы основан на бактериях кишечной палочки, которые они генетически спроектировали для выделения липкого белка в ответ на определенную длину волны синего света. Когда они направляют свет соответствующей длины волны в желаемом образце на культуральную чашку с модифицированными бактериями, бактерии прилипают к освещенным участкам, образуя биопленку в форме узора. Исследователи называют свою технику биопленочной литографией из-за ее сходства с литографией, используемой при изготовлении электронных схем.
Существуют и другие методы создания паттернов бактериальных сообществ, в том числе их нанесение с помощью струйного принтера или предварительное паттернирование поверхности культуры химическими веществами, которые смещают рост бактерий в определенных областях. Однако преимущества биопленочной литографии заключаются в скорости, простоте, более высоком разрешении и совместимости с различными поверхностными средами, включая закрытые микрожидкостные устройства, говорят исследователи.
Сложные конструкции, ставшие возможными благодаря литографии биопленок, могут помочь в изучении динамики бактериальных сообществ.
«Биопленки существуют в социальной среде с другими бактериями», - сказал Сяофань Цзинь, аспирант биоинженерии и ведущий автор статьи. «Взаимодействия между этими бактериями часто определяются тем, где они растут относительно друг друга, и это может быть отличным инструментом для точного определения того, когда и где в бактериальном сообществе могут жить определенные виды».
Во время тестирования биопленочной литографии исследователи уже пришли к новому выводу. Они предполагали, что клетки, плавающие в освещенных областях и выходящие из них, приведут к размытым узорам, но рисунки оказались на удивление четкими. Эти четкие изображения привели группу к выводу, что многие бактерии должны быть уже слабо связаны с поверхностью культуры. Создается впечатление, что бактерии не кружатся по тарелке, а постоянно прыгают по поверхности.
«В литературе существуют разные модели того, как определенные виды бактерий образуют биопленки», - пояснил Ридель-Крузе. «Мы утверждаем, по крайней мере, в отношении этого вида, что предоставили дополнительные доказательства этой гипотезы».
Силиконовое вдохновение
По совпадению, разрешение 25 микрометров, достигнутое исследователями с биопленками, похоже на первую кремниевую фотолитографию, которая способствовала широкому успеху кремниевых полупроводников. Точно так же исследователи видят множество универсальных и эффективных приложений для своих бактериальных конструкций.
«Мы надеемся, что этот инструмент можно будет применить для дальнейшего изучения бактериальных сообществ, как естественных, так и синтетических», - сказал Джин.«Мы также видим потенциал в том, чтобы эти сообщества занимались полезными вещами, такими как метаболический биосинтез или распределенные биовычисления. Возможно, даже удастся создать новые биоматериалы, такие как проводящие биопленочные цепи».
В настоящее время исследователи предпринимают шаги по одновременному выращиванию нескольких штаммов бактерий с помощью литографии биопленок, чтобы создать многовидовые сообщества. В частности, они надеются понять, как бактерии в биопленке могут разделять устойчивость к антибиотикам - вопрос, имеющий важное клиническое значение, поскольку хорошо известно, что биопленки не поддаются лечению антибиотиками.
Ридель-Крузе также является членом Stanford Bio-X. Это исследование финансировалось Stanford Bio-X, Канадским советом по естественным наукам и инженерным исследованиям и Американским онкологическим обществом.