Лазерный мир

Трехмерная печать находит все более широкое применение как средство научных исследований и дает в руки исследователей новый, более точный и тонкий инструментарий.

Экстрацеллюлярный матрикс для отдельных клеток, создаваемый с помощью трехмерной фотолитографии

Заключая колонии бактерий в микроскопические капсулы различной конфигурации, ученые из университета Техаса в Остине изучают, как болезнетворные бактерии, такие как обнаруживаемые в пищеварительном тракте и легких человека, взаимодействуют друг с другом и участвуют в развитии инфекционного процесса.

В недавнем эксперименте они продемонстрировали, что колонии золотистого стафилококка, который может вызвать некоторые инфекционные заболевания кожи, стали более устойчивыми к антибиотикам, когда содержались внутри более многочисленной колонии синегнойной палочки — бактерии, участвующей в развитии различных заболеваний, включая муковисцидоз.

Эта работа была опубликована на прошлой неделе в Трудах Национальной академии наук.

Исследователи используют основанную на стереолитографическом методе технологию трехмерной печати, для создания на микроскопическом уровне помещений для бактерий. Стереолитография использует сфокусированный лазерный луч, с помощью которого в желатине вокруг бактерий создаются белковые капсулы. Полученные структуры могут иметь практически любую форму или размер и могут перемещаться и произвольно располагаться относительно других таких же структур, содержащих бактериальные колонии.

Метод должен дать возможность проводить совершенно новый класс экспериментов, которые гораздо лучше приближаются к условиям, с которыми бактерии сталкиваются в реальных биологических средах, таких как среды живого человеческого организма.

«Это позволяет нам в принципе определить каждую переменную», говорит Джоди Коннелл, научный сотрудник Колледжа Естественных наук. «Мы можем определять пространственные параметры в таком масштабе измерений, который позволяет определять что испытывает и ощущает одиночная бактерия. Мы можем также намного более точно моделировать различные виды сложной бактериальной экологии, которая существует при инфекционных заболеваниях, в которых как правило участвует не один, а много видов бактерий, взаимодействующих друг с другом.»

Исследователи используют технологию трехмерной печати, чтобы создать капсулы для бактерий на микроскопическом уровне. Создаваемые структуры (окрашены в красный в конфокальной флюоресценции) могут иметь почти любую форму или размер, и могут перемещаться относительно других структурам, содержащим бактериальные колонии (окрашены в зеленый). (Фото любезно предоставлены Джейсоном Широм)

В данной методике используется основанное на желатине вещество, имеющее несколько ключевых свойств. Бактерии могут комфортно существовать и расти в этой среде. Это вещество становится жидким при нагревании но при комнатной температуре застывает и превращается в желе. И оно содержит фоточувствительный реагент, который при облучении лазером распадается и вызывает полимеризацию желатина.

Бактерии помещаются в раствор, и когда он охлаждается, бактерии фиксируются в желе. Коннелл и ее коллеги, включая Джейсона Шира, профессора химии, и Марвина Уайтли, профессора молекулярной биологии, определяют, какие бактерии они хотят поместить в капсулы и какая форма капсул им нужна. После этого они задействуют лазер и используя цифровой проектор, проектируют лазерным лучом двухмерное изображение в желатин. Там где проецируемое изображение фокусируется, желатин полимеризуется и образует твердые участки.

«После этого мы создаем другой слой, за ним другой, и так далее, до завершения строительства капсул» говорит Шир. «Это очень просто. Мы просто формируем изображения и складываем их в 3D структуры, но с невероятной точностью. Подумайте о толщине волоса на вашей голове, и возьмите 1 процент от нее, а затем возьмите четверть этого. Это будет размер нашего лазера, когда он приведен к минимальному значению.»

После того, как структура капсул создана, бактерии могут поглощать питательные вещества и размножаться в пределах ограниченного капсулой пространства до уровня плотности, который можно регулировать. Ученые могут брать помещенные в капсулы колонии и размещать их достаточно близко к другим колониям, чтобы они могли обмениваться биохимическими сигналами. Они могут даже смыть лишний желатин, остановить рост бактерий и сохранить их для более поздней транспортировки в лаборатории в других частях мира.

«Ключевым является то, что эти структуры не просто управляемы с точки зрения их конфигураций; они также очень дружественны к микроорганизмам,» говорит Шир. «Стенки, которые мы делаем из этих молекул белка, соединены достаточно плотно, чтобы препятствовать тому, чтобы бактерии могли пройти сквозь них, но они достаточно пористые, чтобы быть химически проницаемыми. Питательные вещества могут поступать внутрь, продукты метаболизма бактерий могут выходить за пределы капсул. Может производиться обмен биохимическими сигналами с другими колониями. Они заперты в этих крошечных помещениях, но они функционируют как, они это делают в биологических средах.»

Бактерии помещаются в раствор, и когда он охлаждается, бактерии фиксируются в желе. Исследователи определяют, какие бактерии они хотят поместить в капсулы и какая форма капсул им нужна. После этого они задействуют лазер и используя цифровой проектор, проектируют лазерным лучом двухмерное изображение в желатин. Там где проецируемое изображение фокусируется, желатин полимеризуется и образует жесткую матрицу. (Фото любезно предоставлены Джейсоном Широм)

Шир говорит, что новая техника должна дать возможность проведения широкого спектра новых экспериментов. Рост может быть прекращен в любое время, для того чтобы исследовать экспрессию генов бактерий, и узнать, какие гены включены или выключены в зависимости от текущих условий. Разнообразные бактерии могут быть исследованы во взаимодействии в различных конфигурациях, в различной плотности, по различному временному графику. Бактерии, такие как стафилококк и синегнойная палочка, могут быть расположены в виде ядра и оболочки, с ядром из золотистого стафилококка, окруженного слоем синегнойной палочки, и дать возможность увидеть, что происходит, когда они сталкиваются с нежелательным вторжением со стороны других микроорганизмов.

Среди долгосрочных целей — использовать данные, почерпнутые из таких экспериментов, чтобы лучше бороться с инфекциями в организме человека.

«Подумайте о больнице, которая, как мы знаем, не самое лучшее место для того чтобы избежать инфекции», говорит Шир. «Есть исследования, которые, кажется, указывают, что инфекция передается очень маленькими колониями бактерий, которые, вероятно, переносятся оборудованием или персоналом из одной части больницы в другую. В настоящее время мы мало знаем о том, как это происходит. Сколько бактериальных клеток для этого надо? Становятся ли эти колонии особенно вирулентными и устойчивыми к антибиотикам именно потому, что они маленькие, а затем в свою очередь, изменяют свои свойства попадая на нашу кожу или внутрь организма? Теперь у нас есть средства исследования, которые позволяют ставить такие вопросы гораздо шире и детальнее.»

Кроме несомненной пользы для микробиологических, медицинских и многих других видов исследований, подобная техника, в сочетании с микроэлектронными и микромеханическими устройствами, может вывести на новый уровень и биотехнологии, используемые в различных отраслях промышленности, позволяя помещать в микроскопические структуры целые биохимические заводы и фабрики, организуя в них сложные цепи биохимического синтеза с использованием различных штаммов бактерий-продуцентов и намного упрощая задачу разделения полученных соединений и бактериальных клеток, а также задачу управления процессом синтеза и разложения различных химических соединений. И возможно что уже в скором будущем можно ожидать появления миниатюрных биохимических лабораторий «на кристалле», управляемых с помощью интегрированного микроконтроллера.

Оригинал статьи на английском языке: http://www.3ders.org/articles/20131008-scientists-create-3d-printed-microscopic-zoos-to-design-bacterial-communities.html

Перевод: https://www.startbase.ru/knowledge/articles/281/