Biofilmer – slemmiga lager som bildas när bakterier klibbar ihop på en yta – tillåter bakterier att skydda sig från extrema miljöer och till och med undvika antibiotika. I en ny studie har forskare visat att laserljus i form av optiska fällor kan användas för att kontrollera biofilmbildning. Resultaten kan göra det möjligt för forskare att utnyttja dessa mikrobiella skikt för olika biotekniska tillämpningar.
"Att producera mikroskopiska komponenter kräver vanligtvis en mycket teknisk tillverkningsprocess, men vi fann att en optisk pincett kan användas för att exakt kontrollera positionen för enskilda bakterier eller kluster av bakterier", säger forskargruppsledaren Anna Bezryadina från California State University Northridge. "Detta tillåter oss att påverka tillväxtmönstren för bakteriestrukturer på mikroskopisk nivå med hög precision."
I tidskriften Biomedical Optics Express , forskarna rapporterar sina experiment med att använda optiska fällor för att reglera bakteriell aggregation och utveckling av biofilm. De fann att olika typer av lasrar kan användas för att stimulera och undertrycka biofilmtillväxt.
"Vi kan till och med skapa ett slags bakteriellt legokloss som kan flyttas runt, klistras ihop och förstöras efter behov", sa Bezryadina. "Detta arbete kan leda till nya typer av biologiskt nedbrytbara material eller en ny generation biofilmbaserade biosensorer, till exempel."
Den mesta biofilmforskningen har fokuserat på mekaniska, kemiska och biologiska metoder för att undertrycka och kontrollera biofilmer. Även om forskare har visat att syntetiska och kemiska tillvägagångssätt kan användas för att aktivera och kontrollera biofilmer och konstruera biofilmer till specifika rumsliga strukturer, ville Bezryadina och hennes team ta reda på om optiska metoder kunde användas för att kontrollera biofilmsdynamik. För att åstadkomma detta krävdes ett tvärvetenskapligt team med expertis inom avancerad optisk teknologi och mikrobiologi.
Forskarna experimenterade med Bacillus subtilis, en icke-patogen bakterie som naturligt bildar biofilmer. De använde en miljö med låg näringsämnen som är fientlig mot B. subtilis för att få bakterierna att bilda en biofilm. Efter att ha erhållit små biofilmkluster genomförde de optiska fångstexperiment med antingen en 473 nm blå laser eller en nära infraröd Ti:sapphire-laser som kunde ställas in från 700 till 1000 nm.
De fann att användning av en laser som sänder ut vid en våglängd på 820 nm till 830 nm möjliggjorde förlängd optisk infångning av biofilmkluster samtidigt som betydande fotoskada minimerades. Men att använda en laser vid 473 nm - en våglängd som absorberas mycket av bakterierna - fick cellerna att brista och biofilmklustren att sönderfalla. De observerade också att de ideala bakterieklustren för optisk manipulation bestod av tre till 15 celler.
När forskarna studerade bakteriedynamik och biofilmbildning med en optisk pincett vid 820 nm våglängd under en timme, upptäckte de att bakteriekluster aggregerade nära optiskt fångade kluster, fäste vid ytan och började bilda en mikrokoloni. De kan också flytta optiskt fångade bakteriekluster genom hela provet till en specifik position, vilket kan vara användbart för att bygga strukturer av bakterier. NIR-lasern verkade inte störa biofilmbildning för bakteriekluster som exponerades för den högfokuserade NIR-lasern, vilket innebär att NIR-våglängder i intervallet 800 nm till 850 nm kan användas under långa tidsperioder för optisk infångning, manipulation och mönsterbildning av bakteriekluster.
"Trots den uppenbara okontrollerade bakteriella biofilmbildningen i naturen, visade vårt arbete att bakteriell biofilmbildning kan påverkas av ljus", säger Bezryadina. "Det här dokumentet representerar det första steget i det långsiktiga projektet att skapa mikroskopiska byggmaterial från lättillgängliga resurser som bakterier. I framtida studier planerar vi att använda det vi hittade för att utveckla en process för att konstruera strukturer från bakteriella legoklossar."
Sammantaget avslöjade experimenten viss flexibilitet i de exakta tillväxtförhållandena, storlekarna på kluster och våglängder som är nödvändiga för att manipulera biofilmerna. Forskarna säger att det kanske också är möjligt att använda deras metodik med andra typer av biofilmbildande mikroorganismer.
Mer information: Czarlyn Camba et al, Biofilmbildning och manipulation med optisk pincett, Biomedical Optics Express (2024). DOI:10.1364/BOE.510836
Journalinformation: Biomedicinsk Optics Express
Tillhandahålls av Optica
