Aktualności

Nanostruktury, światło i programowanie odpowiedzią na problem lekoopornych bakterii

W niekończącej się walce z bakteriami szala zwycięstwa zaczyna przechylać się na stronę ludzkości. Wszystko za sprawą urządzenia, które może dać nam przewagę w badaniach nad lekami.

Od kilku lat odporność bakterii na antybiotyki stanowi poważny problem. Zakłady medyczne są zaniepokojone prognozami, z których wynika, że najczęściej stosowane kuracje mogą wkrótce okazać się nieskuteczne.

Dlatego wzrasta zapotrzebowanie na bardziej efektywne sposoby testowania zamienników leków. Jeden z nich jest opracowywany przez zespół z Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST).

W swojej pracy, opublikowanej w magazynie ACS Sensors, naukowcy analizują strukturę powłoki mikrobiologicznej zwanej biofilmem. Są to komórki bakteryjne, które łączą się, tworząc śluzowatą powłokę. Biofilm daje bakteriom przewagę, chroniąc je przed działaniem konwencjonalnych antybiotyków. Te właściwości sprawiają, że biofilm jest szczególnie niebezpieczny w przypadku niektórych środowisk i gałęzi przemysłu. Ponieważ może zanieczyścić żywność w trakcie procesu produkcji lub zapychać rury oczyszczalni ścieków. Biofilm może okazać się śmiertelnie niebezpieczny jeśli pojawi się w placówkach medycznych.

Kluczem do zwalczenia biofilmu jest zrozumienie w jaki sposób się on tworzy. Właśnie to sprawiło, że naukowcy z Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University zajmujący się dziedzinami biotechnologii, nanoinżynierii i programowania połączyli siły.
Zespół skupił się na kinetyce tworzenia biofilmów, czyli reakcjach biochemicznych pozwalających bakteriom na utworzenie błony biologicznej. Zebranie informacji na temat mechanizmu tworzenia biofilmów może ułatwić znalezienie odpowiednich leków i substancji chemicznych, które mogłyby temu zapobiec.

Niestety, zespół nie miał dostępu do urządzeń, które mogłyby umożliwić monitorowanie tworzenia się biofilmu w odpowiednich odstępach czasowych, kluczowych dla zrozumienia całego procesu. Dlatego też naukowcy postanowili zmodyfikować istniejące urządzenia tak, by spełniały ich wymagania. Dr Nikhil Bhalla pracujący w Micro/Bio/Nanofluidics Unit, jednostce Okinawa Institute of
Science and Technology Graduate University zarządzanej przez prof. Amy Shen, wykorzystał nanoskalę, by znaleźć rozwiązanie problemu.

„Stworzyliśmy maleńkie płytki pokryte mikroskopijnymi strukturami, na których mogliśmy hodować bakterie E. coli,” powiedział dr Bhalla. „Te nanostruktury mają kształt grzyba złożonego z trzonu z dwutlenku krzemu i kapelusza ze złota.”

Kolejnym krokiem było znalezienie odpowiednich bakterii, na których zespół mógłby pracować. Dr Bill Söderström ze Structural Cellular Biology Unit, dostarczył zespołowi dużą ilość bakterii E. coli. Zostały one następnie  naniesione na przygotowane płytki. Gdy grzybowe nanostruktury oświetlono, monitorowano pochłonięcie przez nie wiązki światła dzięki zlokalizowanemu powierzchniowemu rezonansowi plazmonowemu.
Dzięki zmierzeniu różnic długości fali światła, naukowcy mogli monitorować wzrost bakterii wokół grzybowych nanostruktur bez naruszania próbek, a co za tym idzie – bez wpływu na wyniki badań.

„To pierwszy przypadek użycia takiej technologii do badania komórek bakteryjnych” – powiedział biotechnolog, dr Riccardo Funari. „Jedyny problem, który napotkaliśmy dotyczył braku możliwości monitorowania próbek w czasie rzeczywistym.”

Stałe uzyskiwanie odczytów ze zlokalizowanego powierzchniowego rezonansu plazmonowego było możliwe, ale wymagało nowego oprogramowania. Na szczęście, technik zespołu – Kang-yu Chu – użyczył swej fachowej wiedzy z zakresu programowania, by rozwiązać ten problem.

„Wzorując się na istniejącym oprogramowaniu, stworzyliśmy automatyczny program do pomiarów, dokonujący natychmiastowej analizy danych. Dzięki temu, mogliśmy przetwarzać informacje za jednym kliknięciem. Zmniejszyło to nakład pracy i pozwoliło na natychmiastowe rozwiązywanie jakichkolwiek problemów dotyczących badań” – skomentował Kang-yu.

Obecnie eksperci z trzech dziedzin: biotechnologii, nanoinżynierii i programowania łączą siły, by stworzyć stacjonarne urządzenie, które można by wykorzystać w praktycznie każdym laboratorium. Zespół planuje miniaturyzację urządzenia do rozmiarów umożliwiających przenoszenie, co zwiększyłoby możliwości jego zastosowania w bioczujnikach.

„Kolejnym krokiem będą badania nad mikroorganizmami mającymi kliniczne znaczenie” – powiedział dr Funari. „Cieszymy się z możliwego zastosowania naszego urządzenia. W przyszłości zostanie to wykorzystane do testowania leków na dziesiątkach typów bakterii.” W rezultacie, ludzkość wychodzi na prowadzenie w walce z bakteriami.


Źródło: https://nano-magazine.com/news/2018/8/15/chips-light-and-coding-at-front-line-of-bacteria-resistance-fight

Redaktor: Michałowska Emilia

Podobne artykuły

W czasopiśmie Biosensors and Bioelectronics ukazał się artykuł dotyczący trójwymiarowej porowatej siatki z grafenu, która po osadzeniu na niej białek (np. enzymów) może służyć jako ultraczuła matryca w bioczujnikach [1]. Równomierne rozmieszczenie białek na powierzchni elektrod jest...
Naukowcy ogłosili powstanie pionierskiej metody kontrolowania wzrostu kryształów metalu z pojedynczych atomów. Badania, których wyniki opublikowano w Nature Communications zostały przeprowadzone na Uniwersytecie w Warwick. Metoda, nazywana Nanokrystalometrią (Nanocrystallometry)pozwala na stworzenie precyzyjnych komponentów używanych w nanotechnologii....