NUS-forskare, tillsammans med forskare från Nanyang Technological University (NTU) och Imperial College London (ICL), har utvecklat icke-invasiva biofysiska tekniker för att kvantifiera syrekoncentration och mikromekaniska egenskaper i bakteriella biofilmer och förstå deras realtidssvar på miljöförändringar.

Bakteriesamhällen, svampar, protozoer eller alger som fäster vid varandra eller ytor kallas biofilmer. Biofilmerna kännetecknas av en mängd olika egenskaper som inte vanligtvis finns i isolerade frilevande organismer. En av de framväxande egenskaperna hos biofilmer som är relevanta i samband med människors hälsa är deras ökade tolerans mot desinfektionsmedel och antibiotika. Även om vissa biofilmer är fördelaktiga (t.ex. de som är involverade i avloppsvattenrening och biosanering), många andra är skadliga (t.ex. de som är involverade i infektioner och korrosion). Som med alla levande organismer, biofilmer anpassar sig kontinuerligt och reagerar på en mängd olika miljöpåfrestningar, såsom förändringar i tillgången på näringsämnen eller syre.

Syre spelar en viktig roll i genereringen av energi för cellunderhåll och tillväxt. Att kvantifiera mängden syre är nödvändigt för att studera dess effekter under de olika stadierna av biofilmtillväxt. Nuvarande verktyg för att mäta syrenivåer i biofilmer förbrukar antingen syre själva (vilket leder till mindre exakta resultat) eller kan bara få exakta mätningar från ytan men inte inom biofilmerna.

För att övervinna dessa begränsningar, Professor Thorsten WOHLAND från institutionerna för biologiska vetenskaper och kemi, NUS har tillsammans med Prof Yehuda COHEN och Prof Scott RICE från NTU anpassat en icke-invasiv teknik som kallas Transient State (TRAST) imaging och tillämpat den för att kvantifiera syrenivåer i bakteriella biofilmer. Detta ledde till identifieringen av syrebristzoner inom de mikroskopiska kolonierna av P. aeruginosa. TRAST är en luminescensbaserad bildteknik. Det är baserat på det faktum att vissa fluoroforer (en typ av fluorescerande kemiska föreningar) upptar två olika tillstånd, en som avger fluorescens och den andra ett icke-fluorescerande mörkt tillstånd. Fraktionen av fluoroforer i mörkt tillstånd beror på hur ofta fluoroforerna exciteras och om de ges tillräckligt med tid för att komma tillbaka från de mörka tillstånden till de fluorescerande tillstånden. Genom att ändra belysningsschemat på definierade sätt, mängden fluoroforer över biofilmen (i mörkt tillstånd) kan lätt mätas. Mätningarna beror endast på andelen fluoroforer i mörkt tillstånd, vilket innebär att noggrannheten inte påverkas även om vissa områden i biofilmen har högre fluoroforkoncentration. Eftersom syre undertrycker ockupationen av mörka tillstånd, och därmed sänker fluoroforerna som finns i mörkt tillstånd, TRAST kan användas för att kvantifiera syrekoncentrationer.

Detta verktyg har potentiella implikationer inom mikrobiologi för att skilja syrerika från syrebristzoner, som vanligtvis upptas av aeroba respektive anaeroba bakterier i en biofilm av flera arter. Denna differentiering är viktig i diagnostik eftersom detta kommer att underlätta identifieringen av typen av bakterier på infektionsplatsen.

Samma forskargrupp i samarbete med professor Peter TÖRÖK från ICL har också utvecklat en teknik med Brillouin-mikroskopi för att undersöka biofilmers mekaniska egenskaper på mikrometerskalanivå. Brillouin-mikroskopi möjliggör kvantifiering av kompressibilitet genom att mäta förändringen i frekvensen av infallande ljus vid interaktion med biofilmen. Kompressibiliteten hos ett material är mängden spänning som krävs för att orsaka en förändring i volymen av ett material. Ett materials kompressibilitet kan tolkas i termer av materialets styvhet. Material som uppvisar större frekvensförskjutningar är styvare än de med mindre frekvensförskjutningar. Denna teknik, som är "etikettfri" (dvs. inte använder någon främmande molekyl(er)), kan potentiellt användas för att förstå de mikromekaniska egenskaperna hos komplexa biofilmer.

Prof Wohland sa, "Biofilmer kan ha destruktiva effekter, till exempel vid sårinfektion eller vid nedbrytning av material. Dock, de kan också utnyttjas för produktion av biologiska material eller andra processer. Båda tillämpningarna kräver en god förståelse för biofilmers fysikaliska och fysiologiska egenskaper. Därför, nya verktyg, som vårt team har utvecklats, behövs för att bättre karakterisera biofilmer i deras naturliga omgivning."