Badatelé objevili, že optické pascí mohou být použity k ovládání tvorby biofilmu. Zjistili, že použití laserů různých vlnových délek může stimulovat a inhibovat růst biofilmu. Tyto zjištění mají potenciál umožnit vědcům využívat tyto vrstvy mikroorganismů pro různé aplikace v bioinženýrství.
„Tvorba mikroskopických komponent obvykle vyžaduje velmi pokročilé výrobní procesy, ale zjistili jsme, že optické pascí lze přesně kontrolovat polohu jednotlivých bakterií nebo shluků bakterií,“ uvedla vedoucí týmu Anna Bezryadina z Kalifornské státní univerzity Northridge. „To nám umožňuje ovlivňovat růstové vzory bakteriálních struktur na mikroskopické úrovni s vysokou přesností.“
V časopise Biomedical Optics Express popisují výzkumníci své experimenty s využitím optických pascí k regulaci bakteriální agreace a tvorby biofilmů. Zjistili, že různé typy laserů lze použít k stimulaci a inhibici růstu biofilmu.
„Dokážeme dokonce vytvářet bakteriální stavební bloky, které lze pohybovat, spojovat a ničit podle potřeby,“ řekla Bezryadinová. „Tato práce by mohla vést k novému druhu bio-degradovatelných materiálů nebo nové generaci bio-degradovatelných biosenzorů na bázi biofilmů, například.“
Použití světla k řízení růstu bakterií
Většina výzkumu biofilmů se zaměřovala na mechanické, chemické a biologické metody potlačování a kontroly. Zatímco vědci ukázali, že syntetické a chemické přístupy lze použít k aktivaci a kontrole biofilmů, stejně jako k navrhování biofilmů do konkrétních prostorových struktur, Bezryadinová a její tým chtěli zkoumat, zda lze optické metody použít k ovládání dynamiky biofilmů. K tomu byla vyžadována interdisciplinární skupina s odborností v pokročilé optické technologii a mikrobiologii.
Výzkumníci provedli experimenty s Bakillus subtilis, nepatogenní bakterií, která přirozeně tvoří biofilmy. Použili prostředí s nízkým obsahem živin, které je nepříznivé pro B. subtilis, aby stimulovali bakterie k tvorbě biofilmů. Poté, co získali malé shluky biofilmu, provedli experimenty s optickými pascemi, používajícími modrý laser s vlnovou délkou 473 nm nebo tunelem Ti:sapphire s blízkým infračerveným laserem, který lze naladit od 700 do 1000 nm.
Zjistili, že použití laseru s vlnovou délkou 820–830 nm umožnilo dlouhodobé optické zachycení shluků biofilmů, přičemž minimalizovalo významné fotochemické poškození. Nicméně použití laseru s vlnovou délkou 473 nm – vlnová délka silně absorbovaná bakteriemi – způsobovalo praskání buněk a rozpad shluků biofilmů. Také bylo pozorováno, že ideální bakteriální shluky pro optickou manipulaci sestávají z tří až patnácti buněk.
Vytváření vzorů
Při zkoumání bakteriální dynamiky a tvorby biofilmu pomocí optických pascí s vlnovou délkou 820 nm po dobu jedné hodiny vědci zjistili, že bakteriální shluky se agregovaly poblíž opticky zachycených shluků, přilnuly ke povrchům a začaly tvořit mikrokolonie. Také dokázali přenášet opticky zachycené bakteriální shluky na různá místa, což by mohlo být užitečné pro stavbu struktur z bakterií. Infračervený laser zřejmě neovlivňoval tvorbu biofilmů u shluků bakterií vystavených silně koncentrovanému infračervenému laseru, což naznačuje, že NIR vlnové délky v rozmezí 800 až 850 nm lze použít pro delší doby optického zachycování, manipulace a tvorby vzorů bakteriálních shluků.
„Přestože se tvorba bakteriálních biofilmů v přírodě zdá být nekontrolovaná, naše studie ukázala, že tvorbu bakteriálních biofilmů lze kontrolovat pomocí světla,“ uvedla Bezryadinová. „Tento článek představuje první krok v dlouhodobém projektu vytváření mikroskopických stavebních materiálů z běžně dostupných zdrojů, jako jsou bakterie. V budoucích studiích plánujeme využít to, co jsme objevili, pro vývoj procesu výstavby struktur ze bakteriálních bloků.“
Experimenty celkově ukázaly určitou flexibilitu přesných podmínek růstu, velikostí shluků a vlnových délek potřebných pro manipulaci s biofilmy. Výzkumníci naznačují, že jejich metodika by mohla být také použitelná u jiných typů mikroorganismů tvořících biofilmy.
Často kladené otázky (FAQ) založené na klíčových tématech a informacích uvedených v článku:
1. Jaké objevy související s použitím optických pascí byly prezentovány v článku?
Výzkumníci objevili, že použití laserů různých vlnových délek může stimulovat a inhibovat růst biofilmu. Toto zjištění může umožnit vědcům využívat biofilmy pro různé aplikace v bioinženýrství.
2. Jak hlavní autorka Anna Bezryadinová předala informace o experimentech?
Anna Bezryadinová, vedoucí týmu z Kalifornské státní univerzity Northridge, uvedla, že optické pascí lze přesně kontrolovat polohu jednotlivých bakterií nebo shluků bakterií, což umožňuje ovlivnění růstových vzorů bakteriálních struktur na mikroskopické úrovni s vysokou přesností.
3. Jaké jsou potenciální aplikace těchto objevů?
Podle Bezryadinové mohou tyto objevy vést k novým typům bio-degradovatelných materiálů nebo biosenzorům na bázi biofilmů. Tyto možnosti vycházejí z manipulace a ovládání růstu biofilmu pomocí laserů.
4. Jak výzkumníci experimentovali se laserovými vlnovými délkami?
Výzkumníci provedli experimenty s Bakillus subtilis, přičemž použili optické pasci s modrým laserem o vlnové délce 473 nm a tunelem Ti:sapphire s blízkým infračerveným laserem, který se rozkládá od 700 do 1000 nm. Zjistili, že použití laseru s vlnovou délkou 820-830 nm umožnilo dlouhodobé optické zachycení shluků biofilmu.
5. Jak výzkumníci manipulovali bakteriální shluky pomocí optických pascí?
Výzkumníci zjistili, že opticky zachycené bakteriální shluky lze přenášet a manipulovat na různá místa. Také vytvořili mikrokolonie bakterií stimulací bakteriální agregace poblíž optických pascí.
6. Jaké jsou potenciální důsledky tohoto výzkumu?
Výzkumníci naznačují, že tato metoda může být užitečná nejen pro ovládání růstu bakteriálních biofilmů Bakillus subtilis, ale také pro jiné typy mikroorganismů tvořících biofilmy.
7. Jak plánují výzkumníci pokračovat ve svém výzkumu?
Výzkumníci plánují využít své objevy k vývoji procesu vytváření struktur z bakteriálních bloků. Věří, že v budoucnu budou schopni vytvářet mikroskopické stavební materiály pomocí běžně dostupných zdrojů, jako jsou bakterie.
Definice klíčových termínů a slangových výrazů:
1. Biofilm – vrstva mikroorganismů, jako jsou bakterie, která se přichytává na povrchy a chemické sloučeniny.
2. Optické pascí – zařízení používající světelné paprsky k manipulaci nebo ovládání částic, například bakterií.
3. Bioinženýrství – oblast vědy, která kombinuje biologii a inženýrství pro vývoj nových biomedicínských technologií a výrobků.
Navržené související odkazy na hlavní doménu:
1. Kalifornská státní univerzita Northridge – např. [https://www.csun.edu]
2. Biomedical Optics Express – např. [https://www.osapublishing.org/boe/home.cfm]