Создание сложных изображений с помощью бактериальных сообществ

Исследователи из Стэнфордского университета научились управлять ростом бактериальных сообществ, используя свет и генетически модифицированные бактерии. Они могут создавать сложные узоры — от горошка и полос до электрических схем — буквально за ночь. Техника, описанная 19 марта в Proceedings of the National Academy of Sciences, позволяет выращивать биоплёнки с разрешением 25 микрометров, что примерно в четыре раза меньше крупинки поваренной соли.

«Большинство бактерий на Земле живут в сообществах биоплёнок, которые играют важную роль в болезнях и здоровье — например, зубной налёт или бактериальная инфекция, связанная с катетером», — сказал Ингмар Ридель-Крузе, доцент биоинженерии и старший автор статьи. — «Понимание того, как функционируют биоплёнки, — важный вопрос на многих уровнях».

По словам группы, эта техника может прояснить механизмы роста биоплёнок и привести к созданию новых биоматериалов или синтетических микробных сообществ для использования в небольших устройствах или системах, таких как микрофлюидные чипы или схемы на основе биоплёнок.

Биоплёночная литография

Метод основан на бактериях E. coli, генетически модифицированных для секреции липкого белка в ответ на свет определённой длины волны синего цвета. Когда исследователи освещают нужным светом заданный узор на чашке Петри с модифицированными бактериями, бактерии прилипают к освещённым участкам, формируя биоплёнку в форме этого узора. Исследователи называют свою технику «биоплёночной литографией» из-за сходства с литографией, используемой при производстве электронных схем.

Существуют и другие методы структурирования бактериальных сообществ, включая их нанесение струйным принтером или предварительное нанесение на поверхность химических веществ, направляющих рост бактерий. Однако биоплёночная литография имеет преимущества в скорости, простоте, более высоком разрешении и совместимости с различными средами, включая закрытые микрофлюидные устройства.

Сложные узоры, создаваемые с помощью этой литографии, могут помочь в изучении динамики бактериальных сообществ. «Биоплёнки существуют в социальной среде с другими бактериями. Взаимодействия между ними часто диктуются тем, где они растут относительно друг друга, и этот метод может стать отличным инструментом для точного определения того, когда и где в сообществе могут жить определённые виды», — сказал Сяофань Цзинь, аспирант по биоинженерии и ведущий автор статьи.

В ходе испытаний исследователи уже сделали новое наблюдение. Они предполагали, что клетки, заплывающие в освещённые зоны и выплывающие из них, приведут к размытым узорам, но изображения получились удивительно чёткими. Это привело группу к выводу, что многие бактерии, вероятно, уже слабо связаны с поверхностью. Похоже, бактерии не плавают свободно, а постоянно «прыгают» на поверхность и с неё.

«В литературе есть разные модели того, как определённые виды бактерий формируют биоплёнки. Мы утверждаем, что, по крайней мере, для этого вида, мы предоставили дополнительные доказательства в пользу одной из гипотез», — пояснил Ридель-Крузе.

Сходство с кремнием

Совпадение: достигнутое исследователями разрешение в 25 микрометров для биоплёнок аналогично разрешению первой кремниевой фотолитографии, которая способствовала успеху кремниевых полупроводников. Аналогично, исследователи видят множество гибких и значимых применений для своих бактериальных «рисунков».

«Мы надеемся, что этот инструмент можно будет применять для дальнейшего понимания бактериальных сообществ, как естественных, так и синтетических», — сказал Цзинь. — «Мы также видим потенциал в том, чтобы эти сообщества выполняли полезные функции, такие как метаболический биосинтез или распределённые биовычисления. Возможно даже создание новых биоматериалов, например, проводящих схем из биоплёнки».

В настоящее время исследователи работают над одновременным выращиванием нескольких штаммов бактерий с помощью биоплёночной литографии для создания многовидовых сообществ. В частности, они надеются понять, как бактерии в биоплёнке могут делиться устойчивостью к антибиотикам — вопрос, имеющий важное клиническое значение, поскольку биоплёнки известны своей устойчивостью к антибиотикотерапии.