Автоматизированная атомно-силовая микроскопия открывает расширенный вид на бактериальные биоплёнки

Учёные из Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США переосмыслили возможности атомно-силовой микроскопии (АСМ), превратив её из инструмента для визуализации наноразмерных объектов в систему, способную захватывать и крупномасштабную биологическую архитектуру. Часто называемый «микроскопом, который ощупывает», АСМ использует тонкий зонд для сканирования поверхностей с разрешением до одной миллиардной метра. Несмотря на мощность, традиционная АСМ была ограничена узким полем зрения, что затрудняло понимание того, как отдельные элементы вписываются в более крупные организационные структуры.

Исследователи из Центра нанофазных материаловедения (CNMS) преодолели это ограничение, разработав автоматизированную платформу для АСМ с большим полем сканирования. Продемонстрированная на бактериальных биоплёнках — устойчивых микробных сообществах, растущих на различных поверхностях — система связывает детальные наблюдения на уровне отдельных частей с общим видом, охватывающим большие площади. Этот прорыв предлагает беспрецедентный взгляд на организацию биоплёнок, что открывает перспективы для медицины, промышленности и наук об окружающей среде.

Работа опубликована в журнале npj Biofilms and Microbiomes.

Биоплёнки могут вызывать инфекции, засорять трубы, повреждать оборудование и нарушать экосистемы, поэтому их влияние широко. Понимание того, как биоплёнки формируются и организуются на поверхностях, может привести к улучшению лечения инфекций, более эффективным стратегиям очистки и обслуживания, а также к улучшению управления природными экосистемами и качеством воды.

Биоплёнки начинаются, когда отдельные бактерии используют липкие белки или выросты, чтобы прикрепиться к поверхности. Эти так называемые клетки-первопроходцы затем растут и привлекают других, образуя сложные, трудноудаляемые сообщества.

«В исследованиях биоплёнок мы часто могли видеть деревья, но не лес», — сказал Рубен Миллан-Солсона, постдок из группы функциональной атомно-силовой микроскопии ORNL и соавтор исследования. — «С помощью АСМ мы могли детально исследовать отдельные бактериальные клетки, но не то, как они организуются и взаимодействуют как сообщества».

Лиам Коллинз, исследователь из той же группы и соавтор, добавил: «Эта новая платформа меняет ситуацию. Теперь мы можем визуализировать как сложные структуры отдельных клеток, так и более крупные паттерны по всей биоплёнке».

Ключевое новшество заключается в интеграции машинного обучения в процесс визуализации. «АСМ с большим полем зрения предоставляет исследователям крупномасштабные, высокодетализированные изображения биоплёнок, — сказала Сита Сириша Мадугула, постдок из группы Data Nanoanalytics ORNL и соавтор исследования. — Интеграция машинного обучения позволяет нам извлекать значимые количественные данные из этих огромных наборов данных».

Команда автоматически проанализировала более 19 000 отдельных клеток, чтобы создать детальные карты их свойств на обширных площадях поверхности. Анализ выявил, что бактерии выстраиваются в сотоподобные узоры, соединённые жгутиками — волосовидными выростами, которые могут помогать в начальном прикреплении и росте.

«Хотя биологическая роль этих паттернов всё ещё изучается, они, вероятно, играют роль в укреплении сплочённости и адаптивности биоплёнки», — отметил Коллинз.

Чтобы глубже изучить динамику биоплёнок, команда протестировала инженерные поверхности с наноразмерными гребнями — структурами в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Они обнаружили, что определённые паттерны могут нарушать нормальное формирование биоплёнки, предлагая потенциальные стратегии для создания противообрастающих поверхностей, устойчивых к накоплению бактерий.

Исследование знаменует значительный скачок в науке о биоплёнках. Оно поддержано Управлением науки Министерства энергетики США в рамках инициативы Biopreparedness Research Virtual Environment (BRaVe), изучающей взаимодействия между живыми системами и материалами.

«Это сотрудничество показывает, что возможно, когда учёные из разных дисциплин объединяются, — сказал Скотт Реттерер, директор CNMS и главный исследователь BRaVe. — Передовые инструменты, которые мы разрабатываем, необходимы для понимания того, как организмы взаимодействуют с материалами — ключевой шаг к определению свойств поверхности, препятствующих образованию биоплёнок, что имеет важное применение от здравоохранения до безопасности пищевых продуктов».