Ученые создают 3D печатные микроскопические «зоопарки» для бактериальных колоний

Наука, 10 октября 2013, 16:51, КОММЕНТАРИЕВ: 0

3D принтеры способны не только производить 6-секундные зубные щетки и цифровые камеры, теперь они могут также создавать микроскопические бактериальные «клетки».

Этот трехмерный череп шимпанзе был напечатан с той же основной технологией, которую сейчас используют в лаборатории Шира для печати бактериальных клеток. Фото: Джейсон Шир

Замыкая бактерии в микроскопических домиках, ученые Техасского университета в Остине изучают, как болезнетворные бактерии, такие как найденные в кишечнике и легких человека, взаимодействуют и развивают инфекции.

В недавнем эксперименте они продемонстрировали, как колония золотистого стафилококка, способная вызвать некоторые виды кожной инфекции, стала более устойчивой к антибиотикам, когда она находилась внутри большого сообщества синегнойной палочки, бактерии, вызывающей различные заболевания, в том числе муковисцидоз. Работу на этой неделе опубликовали в Трудах Национальной академии наук.

Исследователи используют новую технологию 3D печати, чтобы построить дома для бактерий на микроскопическом уровне. Их метод подразумевает использование лазера для построения белковых «клеток» вокруг бактерий в желатине. Полученные структуры могут иметь практически любую форму или размер и могут быть перемещены по отношению к другим структурам, содержащим бактериальные микросообщества.

Метод должен позволить проводить абсолютно новый класс экспериментов при условиях, наиболее соответствующих тем, с которыми бактерии сталкиваются в реальных биологических средах, таких как тело человека.

«Это позволяет нам фактически определить каждую переменную», – говорит Джоди Коннел, постдокторский исследователь в колледже естественных наук.

«Мы можем определить пространственные особенности в масштабах, соответствующих тем, что чувствует и ощущает одна бактерия. Мы также можем гораздо точнее имитировать виды сложных бактериальных экологий, которые существуют в реальных инфекциях, когда в них присутствует не один вид, а взаимодействует сразу несколько различных видов бактерий».

В основе данного метода лежит желатиновый реагент, который имеет несколько ключевых особенностей. Бактерии могут в нем удобно жить и размножаться. В тепле этот раствор становится жидким, но при комнатной температуре он становится желеподобным. Содержащиеся в нем светочувствительные молекулы заставляют желатиновые молекулы вступать в реакцию и соединяться друг с другом под воздействием света.

Бактерии помещают в раствор. Когда он охлаждается, бактерии застывают на месте. Коннел и ее коллеги, включая Джейсона Шира, профессора химии, и Марвина Вайтели, профессора молекулярных биологических наук, определяют, какие бактерии они хотят поместить в клетку и в какой форме. Затем они зажигают лазер, используя чип, переделанный из кинопроектора, чтобы спроецировать двумерное изображение в желатин. Везде, где оно фокусируется, формируются твердые матрицы.

«Затем мы делаем еще один слой, и второй, и так далее», – говорит Шир. «Все очень просто. Мы фактически делаем фотографии и укладываем их в 3D структуры, но весь процесс тщательно контролируется. Подумайте о толщине волоска на вашей руке, возьмите от этого 1%, а затем еще четверть от этого. Это и будет примерный размер лазера».

После того, как структура завершена, бактериям можно ввести питательные вещества и позволить воспроизводиться в ограниченном пространстве до контролируемой плотности. Ученые могут взять другие микросообщества в клетках и разместить их достаточно близко друг от друга, чтобы колонии взаимодействовали друг с другом. Можно даже смыть излишки желатина, остановить рост бактерий и сохранить их для дальнейшей транспортировки в лаборатории, расположенные в других частях мира.

«Главным является то, что эти структуры можно не только контролировать с точки зрения их формы, они также очень био-доброжелательные», - говорит Шир. «Стены, которые мы делаем из этих белковых молекул, связаны друг с другом достаточно плотно, чтобы не позволить бактериям освободиться, но они достаточно пористые, чтобы вступать в химические взаимодействия. Питательные вещества могут проходить. Отходы могут выходить наружу. Может осуществляться обмен сигналами. Они заключены в этих маленьких домиках, однако функционируют, как обычно в биологической среде».

Шир заявил, что новая техника должна позволить проводить им широкий спектр экспериментов. Рост можно приостановить на любом этапе, чтобы сделать анализ выраженности генов бактерий, посмотреть какие гены включаются/выключаются в ответ на изменение условий. Различные виды бактерий можно заставить взаимодействовать в различных конфигурациях, при различных плотностях, в различных временных рамках. Бактерии, такие как стафилококк и синегнойная бактерия, можно организовать в виде «ядро-оболочка», с ядром в виде стафилококка, окруженного оболочкой синегнойных бактерий, чтобы посмотреть, что происходит, когда они одновременно сталкиваются с нежелательными для них антибиотиками.

«Это действительно самые распространенные бактерии, которые часто встречаются вместе в инфекциях, поэтому, естественно, они обладают определенными механизмами для ощущения друг друга», – говорит Шир. «Эта технология позволяет нам заставить их взаимодействовать, и посмотреть, что произойдет. В этом случае стафилококк почувствовал синегнойную бактерию, одним из последствий стало то, что он стал более устойчивым к антибиотикам».

Среди долгосрочных целей: использовать информацию, полученную в ходе этих экспериментов, чтобы более эффективно бороться с человеческими инфекциями.

«Подумайте о больнице, это не самое лучшее место, где можно избежать столкновения с инфекциями», – говорит Шир. «Существуют исследования, которые, похоже, свидетельствуют, что инфекции передаются через очень маленькие микроколонии бактерий, которые, скорее всего, передаются через инструменты, оборудование и персонал из одной части больницы в другую. В данный момент мы мало знаем, о том, как это происходит. Сколько на это уходит клеток? Становятся ли подобные микросообщества опасными или устойчивыми к антибиотикам именно потому, что они маленькие, а затем, в свою очередь, изменяют функции бактерий, нашей кожи или тела? Теперь мы хотим рассмотреть все эти вопросы шире».



Африканский изобретатель собирает 3D принтер из электронных отходов (+ видео)

Раскрыто 7 мифов о 3D печати (+ видео)

Лента Мёбиуса и 3D печать помогли создать произведения искусства