I biofilm – strati viscidi formati quando i batteri si attaccano su una superficie – consentono ai batteri di proteggersi dagli ambienti estremi e persino di eludere gli antibiotici. In un nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato che la luce laser sotto forma di trappole ottiche può essere utilizzata per controllare la formazione del biofilm. I risultati potrebbero consentire agli scienziati di sfruttare questi strati microbici per varie applicazioni di bioingegneria.
"La produzione di componenti microscopici di solito richiede un processo di fabbricazione altamente tecnico, ma abbiamo scoperto che le pinzette ottiche possono essere utilizzate per controllare con precisione la posizione di singoli batteri o gruppi di batteri", ha affermato la leader del gruppo di ricerca Anna Bezryadina della California State University Northridge. "Questo ci permette di influenzare i modelli di crescita delle strutture batteriche a livello microscopico con elevata precisione."
Nella rivista Biomedical Optics Express , i ricercatori riferiscono i loro esperimenti con l'uso di trappole ottiche per regolare l'aggregazione batterica e lo sviluppo del biofilm. Hanno scoperto che è possibile utilizzare diversi tipi di laser per stimolare e sopprimere la crescita del biofilm.
"Possiamo persino creare una sorta di blocco Lego batterico che può essere spostato, incollato e distrutto secondo necessità", ha detto Bezryadina. "Questo lavoro potrebbe portare a nuovi tipi di materiali biodegradabili o a una nuova generazione di biosensori basati su biofilm, ad esempio."
La maggior parte della ricerca sui biofilm si è concentrata su approcci meccanici, chimici e biologici per sopprimere e controllare i biofilm. Sebbene gli scienziati abbiano dimostrato che è possibile utilizzare approcci sintetici e chimici per attivare e controllare i biofilm e ingegnerizzarli in strutture spaziali specifiche, Bezryadina e il suo team volevano scoprire se i metodi ottici potessero essere utilizzati per controllare la dinamica del biofilm. Per raggiungere questo obiettivo è stato necessario un team interdisciplinare con esperienza nella tecnologia ottica avanzata e nella microbiologia.
I ricercatori hanno sperimentato il Bacillus subtilis, un batterio non patogeno che forma naturalmente biofilm. Hanno utilizzato un ambiente a basso contenuto di nutrienti ostile al B. subtilis per indurre i batteri a formare un biofilm. Dopo aver ottenuto piccoli cluster di biofilm, hanno condotto esperimenti di intrappolamento ottico utilizzando un laser blu da 473 nm o un laser Ti:zaffiro nel vicino infrarosso che poteva essere sintonizzato da 700 a 1000 nm.
Hanno scoperto che l'utilizzo di un laser che emette a una lunghezza d'onda compresa tra 820 nm e 830 nm ha consentito un intrappolamento ottico prolungato dei cluster di biofilm riducendo al minimo il fotodanneggiamento significativo. Tuttavia, l’utilizzo di un laser a 473 nm – una lunghezza d’onda altamente assorbita dai batteri – ha causato la rottura delle cellule e la disintegrazione dei cluster di biofilm. Hanno anche osservato che i cluster batterici ideali per la manipolazione ottica erano costituiti da tre a 15 cellule.
Quando i ricercatori hanno studiato la dinamica dei batteri e la formazione del biofilm utilizzando pinzette ottiche alla lunghezza d'onda di 820 nm per un'ora, hanno scoperto che i cluster batterici si aggregavano vicino a cluster intrappolati otticamente, aderivano alla superficie e iniziavano a formare una microcolonia. Potrebbero anche spostare i cluster batterici intrappolati otticamente nel campione in una posizione specifica, il che potrebbe essere utile per costruire strutture a partire dai batteri. Il laser NIR non sembra interrompere la formazione di biofilm per i cluster batterici esposti al laser NIR altamente focalizzato, il che implica che le lunghezze d'onda NIR nell'intervallo da 800 nm a 850 nm potrebbero essere utilizzate per lunghi periodi di tempo per l'intrappolamento ottico, la manipolazione e la formazione di pattern di cluster batterici.
"Nonostante la formazione apparentemente incontrollata di biofilm batterico in natura, il nostro lavoro ha dimostrato che la formazione di biofilm batterico può essere influenzata dalla luce", ha affermato Bezryadina. "Questo documento rappresenta il primo passo nel progetto a lungo termine per creare materiali da costruzione microscopici da risorse facilmente disponibili come i batteri. Negli studi futuri, stiamo pianificando di utilizzare ciò che abbiamo scoperto per sviluppare un processo per costruire strutture da blocchi Lego batterici."
Nel complesso, gli esperimenti hanno rivelato una certa flessibilità nelle esatte condizioni di crescita, nelle dimensioni dei cluster e nelle lunghezze d'onda necessarie per manipolare i biofilm. I ricercatori affermano che potrebbe essere possibile utilizzare la loro metodologia anche con altri tipi di microrganismi che formano biofilm.
Ulteriori informazioni: Czarlyn Camba et al, Formazione e manipolazione di biofilm con pinzette ottiche, Biomedical Optics Express (2024). DOI:10.1364/BOE.510836
Informazioni sul giornale: Ottica biomedica Express
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