Slemmig, svårt att rengöra bakteriemattor som kallas biofilm orsakar problem som sträcker sig från medicinska infektioner till igensatta avlopp och nedsmutsad industriell utrustning. Nu, forskare vid Princeton har hittat ett sätt att rent och helt avlägsna dessa ökända slam.

Genom att titta på filmerna ur ett maskintekniskt perspektiv, liksom en biologisk, forskarna visade att genom att använda vatten för att tränga in i korsningen mellan biofilmer och ytor, i kombination med mild peeling, kan leda till oklanderliga borttagningar. Detta resultat står i kontrast till traditionellt ineffektiva metoder för att skrapa eller mekaniskt lossa biofilmer, som ibland lämnar kvar vidhäftade fläckar som återväxer och kontaminerar igen.

Den nya borttagningsmetoden bör hjälpa till att motverka skadliga biofilmer, samt att kontrollera de fördelaktiga biofilmerna som alltmer åberopas för avloppsvattenrening, mikrobiella bränsleceller och andra tillämpningar.

"Vi har upptäckt ett enkelt och effektivt sätt att ta bort otäcka biofilmer från en mängd olika ytor, "sa Jing Yan, en associerad forskare som arbetar tillsammans i Princeton labs i Howard Stone, Donald R. Dixon '69 och Elizabeth W. Dixon professor i mekanisk och rymdteknik, och Bonnie Bassler, Squibb -professor i molekylärbiologi och Howard Hughes Medical Institute Investigator.

Arbetet, överbryggande molekylärbiologi, materialvetenskap och maskinteknik, utnyttjade de samarbetsvilliga forskarsamhällena mellan molekylärbiologi och teknik.

Yan är medförfattare till tidningen som beskriver resultaten, publicerad 8 oktober i Avancerade material , tillsammans med Alexis Moreau, som var gäststudent i Stones laboratorium och nu är tillbaka vid universitetet i Montpellier i Frankrike.

"Genom att undersöka och definiera materialegenskaperna hos bakteriella biofilmer, snarare än deras biologiska egenskaper, vi har uppfunnit en ny metod för att ta bort hela biofilmer, "säger studieförfattaren Bassler.

Andra författare till studien är Ned Wingreen, Howard A. Tidigare professor i biovetenskap; Andrej Košmrlj, en biträdande professor i maskin- och rymdteknik; Sepideh Khodaparast, en tidigare forskare i Stone's lab nu vid Imperial College London; associerad forskare Sampriti Mukherjee; postdoktor Jie Feng, Sheng Mao och Antonio Perazzo; och doktorand Chenyi Fei.

För deras utredning, forskarna i Princeton vände sig till bakterien Vibrio cholerae, som bildar biofilm i havsvatten, färskt vatten och i människans tarm. Mätningar visade att de biofilmer som den producerar uppvisar mekaniska beteenden som liknar hydrogeler, som är material som omfattande studerats i Stones laboratorium.

Väl karakteriserad, manipulerbara hydrogeler har många tillämpningar, särskilt inom biomedicin, inklusive sårförband, läkemedelsleverans och vävnadsteknik. Biofilmer och hydrogeler är till stor del gjorda av vatten (cirka 90 procent). De har definierade strukturella nätverk som gör dem mjuka, viskös och elastisk. Deras stretchighet har en gräns, dock. Om den störs för kraftigt, biofilmer och hydrogeler bryts i bitar. Denna bräcklighet utgör en utmaning för borttagning av biofilm. Det hindrar också avsiktlig överföring av fördelaktiga filmer mellan ytor, till exempel i industriella miljöer, och när man kör experiment i labbet för att studera biofilmer i första hand.

För att lära dig hur du undviker sådan fragmentering, Princeton -teamet undersökte fästningen av V. cholerae -biofilmerna till en mängd olika yttyper. Forskarna såg att kanterna på biofilmerna var vattenavvisande, medan ytor de vidhäftade ibland var vattenattraktiva. Baserat på denna insikt, forskarna försökte driva en kil mellan biofilmen och den fästa ytan genom att driva vatten in i det utrymme där materialen möts. Denna teknik, känd som kapillärskalning, framgångsrikt skapat en förlängande spricka som kulminerade i fullständig separation av biofilmen från ytan. Den vattenassisterade skalningen måste gå långsamt för att förhindra rivning av biofilm-ungefär som att försiktigt ta bort en klistermärke-men resultaten visade att den extra tiden var väl värd det. "Vår metod för kapillärskalning fungerade förvånansvärt bra, "sa Yan.

Ett hinder för att sätta in metoden utanför labbet är att många biofilmer finns i redan vattenhaltiga miljöer, där kapillärskalning verkar vara en icke -startande. För dessa fall, Yan och kollegor har föreslagit två potentiella lösningar att utforska i framtida forskning. För biofilmer som ursprungligen odlas under vattnet, filmen och dess vidhäftade föremål kunde avlägsnas från lösningen och torkas ut före försök till avlägsnande. Alternativt, införa bubblor till biofilm-substratgränssnittet kan leverera samma typ av kapillärkraft.

Övergripande, den nya studien illustrerar värdet av ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt, överbrygga olika fält för att få viktiga nya insikter.

Biologiska system måste följa fysikens lagar och i många fall också använda fysik för att uppnå sina mål, sa Shmuel Rubinstein, en docent i tillämpad fysik vid Harvard University som inte var inblandad i forskningen. "Det tvärvetenskapliga teamet i denna studie som kombinerar teknik, teori och biologi är verkligen perfekt för det komplexa problemet med biofilmer. "

"Leds av Jing, studenterna och postdoktorna gjorde fantastiskt arbete med att utveckla en detaljerad förståelse för kopplingen mellan de biologiska komponenterna och biofilmens makroskopiska mekaniska egenskaper, "sade Stone." Vår demonstration av att biofilm kan skalas - intakt - kan vara användbar på många olika sätt framöver. "