viscido, tappeti batterici difficili da pulire chiamati biofilm causano problemi che vanno dalle infezioni mediche agli scarichi intasati e alle attrezzature industriali sporche. Ora, i ricercatori di Princeton hanno trovato un modo per rimuovere in modo pulito e completo questi famigerati fanghi.

Guardando i film da una prospettiva di ingegneria meccanica, oltre che biologico, i ricercatori hanno dimostrato che l'uso dell'acqua per penetrare nella giunzione tra biofilm e superfici, abbinato a un peeling delicato, può portare a rimozioni immacolate. Questo risultato contrasta con i metodi tradizionalmente inefficaci per raschiare o rimuovere meccanicamente i biofilm, che a volte lasciano chiazze ancora aderenti che ricrescono e si ricontaminano.

Il nuovo metodo di rimozione dovrebbe aiutare a contrastare i biofilm dannosi, oltre a controllare i biofilm benefici su cui si fa sempre più affidamento per il trattamento delle acque reflue, celle a combustibile microbiche e altre applicazioni.

"Abbiamo scoperto un modo semplice ed efficace per rimuovere i biofilm nocivi da una varietà di superfici, " ha detto Jing Yan, uno studioso di ricerca associato che lavora congiuntamente nei laboratori di Princeton di Howard Stone, il Donald R. Dixon '69 e Elizabeth W. Dixon Professore di ingegneria meccanica e aerospaziale, e Bonnie Bassler, lo Squibb Professor di Biologia Molecolare e Howard Hughes Medical Institute Investigator.

Il lavoro, ponte di biologia molecolare, scienza dei materiali e ingegneria meccanica, ha sfruttato le comunità di ricerca collaborativa tra biologia molecolare e ingegneria.

Yan è il co-autore principale del documento che descrive i risultati, pubblicato l'8 ottobre in Materiale avanzato , insieme ad Alexis Moreau, che era uno studente in visita nel laboratorio di Stone e ora è tornato all'Università di Montpellier in Francia.

"Indagando e definendo le proprietà dei materiali dei biofilm batterici, piuttosto che le loro proprietà biologiche, abbiamo inventato un nuovo metodo per staccare interi biofilm, ", ha detto il coautore dello studio Bassler.

Altri autori dello studio sono Ned Wingreen, l'Howard A. Professore Priore delle Scienze della Vita; Andrej Košmrlj, un assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale; Sepideh Khodaparast, un ex ricercatore nel laboratorio di Stone ora all'Imperial College di Londra; ricercatore associato Sampriti Mukherjee; ricercatore postdottorato Jie Feng, Sheng Mao e Antonio Perazzo; e lo studente laureato Chenyi Fei.

Per la loro indagine, i ricercatori di Princeton si sono rivolti al batterio Vibrio cholerae, che forma biofilm nell'acqua di mare, acqua dolce e nell'intestino umano. Le misurazioni hanno rivelato che i biofilm che produce mostrano comportamenti meccanici molto simili agli idrogel, che sono materiali ampiamente studiati nel laboratorio di Stone.

Ben caratterizzato, gli idrogel manipolabili hanno molte applicazioni, soprattutto in biomedicina, compresa la medicazione delle ferite, somministrazione di farmaci e ingegneria dei tessuti. I biofilm e gli idrogel sono in gran parte costituiti da acqua (circa il 90 percento). Possiedono reti strutturali definite che li rendono morbidi, viscoso ed elastico. La loro elasticità ha un limite, però. Se disturbato troppo vigorosamente, i biofilm e gli idrogel si romperanno in pezzi. Questa fragilità rappresenta una sfida per la rimozione del biofilm. Inoltre ostacola il trasferimento intenzionale di film benefici tra le superfici, ad esempio in ambienti industriali, e quando si eseguono esperimenti in laboratorio per studiare i biofilm in primo luogo.

Per imparare a evitare tale frammentazione, il team di Princeton ha esaminato l'adesione dei biofilm di V. cholerae a una varietà di tipi di superficie. I ricercatori hanno visto che i bordi dei biofilm erano idrorepellenti, mentre le superfici a cui aderivano erano talvolta attraenti per l'acqua. Sulla base di questa intuizione, i ricercatori hanno cercato di creare un cuneo tra il biofilm e la superficie attaccata spingendo l'acqua nello spazio in cui i materiali si incontrano. Questa tecnica, noto come peeling capillare, ha creato con successo una fessura allungata che è culminata nella completa separazione del biofilm dalla superficie. Il peeling assistito dall'acqua deve procedere lentamente per evitare lacerazioni del biofilm, come rimuovere con cura un adesivo, ma i risultati hanno mostrato che ne è valsa la pena. "Il nostro metodo di peeling capillare ha funzionato sorprendentemente bene, " ha detto Yan.

Un ostacolo per l'implementazione del metodo al di fuori del laboratorio è che molti biofilm esistono in ambienti già acquosi, dove il peeling capillare sembrerebbe essere un non-starter. Per quei casi, Yan e colleghi hanno proposto due potenziali soluzioni da esplorare nella ricerca futura. Per i biofilm inizialmente cresciuti sott'acqua, il film e il suo oggetto aderito potrebbero essere rimossi dalla soluzione e asciugati prima dei tentativi di rimozione. In alternativa, l'introduzione di bolle all'interfaccia biofilm-substrato potrebbe fornire lo stesso tipo di forza capillare.

Globale, il nuovo studio illustra il valore di un approccio multidisciplinare, collegando diversi campi per ottenere nuove intuizioni chiave.

I sistemi biologici devono obbedire alle leggi della fisica e in molti casi impiegano anche la fisica per raggiungere i propri fini, disse Shmuel Rubinstein, un professore associato di fisica applicata all'Università di Harvard che non è stato coinvolto nella ricerca. "Il team interdisciplinare di questo studio che combina ingegneria, la teoria e la biologia sono davvero perfette per il complesso problema dei biofilm".

"Guidato da Jing, gli studenti e i postdoc hanno svolto un lavoro straordinario nello sviluppo di una comprensione dettagliata del legame tra i componenti biologici e le proprietà meccaniche macroscopiche dei biofilm, " ha detto Stone. "La nostra dimostrazione che i biofilm possono essere rimossi, intatti, può rivelarsi utile in molti modi in futuro".