Chips, Licht und Kodierung bewegen die Front in schlagenden Bakterien

Anonim

Der nie endende Kampf gegen Bakterien hat mit der Ankündigung eines Werkzeugs, das die Oberhand in der Drogenforschung geben könnte, eine Wende zugunsten der Menschheit gemacht.

Die bakterielle Antibiotikaresistenz hat in den letzten Jahren alarmierende Schlagzeilen gemacht, mit der Aussicht, dass häufig verschriebene Behandlungen veraltet sind und Alarmglocken in der medizinischen Einrichtung auslösen.

Effizientere Methoden zur Erprobung von Ersatzstoffen sind dringend erforderlich, und ein Team der Okinawa Institute of Science und Technology Graduate University (OIST) hat gerade eines gefunden.

In ihrer Arbeit, die in ACS Sensors veröffentlicht wurde, betrachten die Wissenschaftler eine mikrobielle Struktur, die Biofilm-Bakterienzellen genannt werden und sich zu einer schleimigen Matrix verbinden.

Diese sind vorteilhaft für Bakterien, sogar gegen konventionelle Antibiotika resistent. Mit solchen Eigenschaften können Biofilme gefährlich sein, wenn sie Umgebungen und Industrien kontaminieren; alles von der Lebensmittelproduktion bis hin zur Verstopfung von Klärrohren. Biofilme können auch tödlich werden, wenn sie in medizinische Einrichtungen gelangen.

Zu verstehen, wie Biofilme gebildet werden, ist der Schlüssel, um Wege zu finden, sie zu besiegen, und diese Studie brachte OIST-Wissenschaftler aus den Bereichen Biotechnologie, Nanoengineering und Softwareprogrammierung zusammen, um sie anzugehen.

Das Team konzentrierte sich auf die Biofilm-Assembly-Kinetik - die biochemischen Reaktionen, die es Bakterien ermöglichen, ihre verknüpfte Matrixstruktur zu produzieren. Das Sammeln von Informationen darüber, wie diese Reaktionen funktionieren, kann viel darüber aussagen, mit welchen Medikamenten und Chemikalien sie gegengesteuert werden können.

Es standen dem Team keine Werkzeuge zur Verfügung, die es ihnen ermöglichen würden, das Biofilmwachstum mit der Häufigkeit zu überwachen, die für ein klares Verständnis erforderlich war. Also modifizierten sie ein bestehendes Werkzeug zu ihrem eigenen Design.

Dr. Nikhil Bhalla, der in der Mikro- / Bio- / Nanofluidik-Abteilung von OIST unter der Leitung von Prof. Amy Shen arbeitet, hat im Nanobereich eine Lösung gefunden: "Wir haben kleine Chips mit winzigen Strukturen geschaffen, auf denen E. coli wachsen kann", sagte er. "Sie sind mit pilzförmigen Nanostrukturen mit einem Siliziumdioxidstopfen und einer Goldkappe bedeckt."

Jetzt musste das ganze Team nur noch ein paar Bakterien finden, mit denen er arbeiten konnte. Dr. Bill Söderström, der die Strukturelle Zellbiologie-Abteilung von OIST betreute, half dem Team, die Bestände von E. coli auf der Oberfläche von Nanomushroom-Chips für das Team bereitzustellen.

Wenn diese Nanomusholien einem gezielten Lichtstrahl ausgesetzt sind, absorbieren sie ihn durch lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR). Durch die Messung des Unterschieds zwischen Lichtwellenlängen, die in den Chip eindringen und ihn verlassen, konnten die Wissenschaftler Beobachtungen der Bakterien machen, die um die Pilzstrukturen herum wachsen, ohne ihre Versuchspersonen zu stören und ihre Ergebnisse zu beeinflussen.

"Dies ist das erste Mal, dass wir diese Sensortechnik zur Untersuchung von Bakterienzellen verwendet haben", sagte Dr. Riccardo Funari, der Biotechnologe des Teams, "aber das Problem, das wir fanden, war, dass wir es nicht in Echtzeit überwachen konnten."

Es war möglich, einen konstanten Datenstrom von ihrer LSPR-Einrichtung zu erhalten, aber sie benötigte eine ganze neue Reihe von Software, um sie funktionsfähig zu machen. Glücklicherweise war der Forschungstechniker Kang-yu Chu da, um seine Programmierkenntnisse dem Problem zu verleihen.

"Wir haben ein automatisches Messprogramm mit sofortiger Analyse auf Basis der vorhandenen Software erstellt, mit dem wir die Daten mit einem Klick verarbeiten konnten. Es hat den manuellen Aufwand erheblich reduziert und eventuelle Probleme mit dem Experiment behoben", erklärt Kang-yu .

Jetzt haben sich diese drei Disziplinen zu einem Tischwerkzeug zusammengeschlossen, das in praktisch jedem Labor verwendet werden kann. Es ist geplant, die Technologie in ein tragbares Gerät zu miniaturisieren, das in einer Vielzahl von Biosensoranwendungen eingesetzt werden kann.

"Studien zu klinisch relevanten Mikroorganismen kommen als nächstes", sagte Dr. Funari, "und wir sind wirklich begeistert von den Anwendungen. Dies könnte ein großartiges Werkzeug sein, um zukünftige Medikamente auf vielen verschiedenen Arten von Bakterien zu testen." Vorerst übernehmen die Menschen die Führung im bakteriellen Kampf.

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