Nye værktøjer til at karakterisere biofilms fysiske egenskaber

NUS-forskere, sammen med forskere fra Nanyang Technological University (NTU) og Imperial College London (ICL), har udviklet ikke-invasive biofysiske teknikker til at kvantificere iltkoncentration og mikromekaniske egenskaber i bakterielle biofilm og forstå deres realtidsrespons på miljøændringer.

Bakteriefællesskaber, svampe, protozoer eller alger, der klæber til hinanden eller overflader, er kendt som biofilm. Biofilmene er karakteriseret ved en række egenskaber, der ikke typisk findes i isolerede fritlevende organismer. En af de nye egenskaber ved biofilm, der er relevant i forbindelse med menneskers sundhed, er deres øgede tolerance over for desinfektionsmidler og antibiotika. Mens nogle biofilm er gavnlige (f.eks. dem, der er involveret i spildevandsrensning og bioremediering), mange andre er skadelige (f.eks. dem, der er involveret i infektioner og korrosion). Som med enhver levende organisme, biofilm tilpasser sig og reagerer konstant på en række miljøbelastninger, såsom ændringer i tilgængeligheden af ​​næringsstoffer eller ilt.

Ilt spiller en væsentlig rolle i genereringen af ​​energi til cellevedligeholdelse og vækst. Kvantificering af mængden af ​​ilt er nødvendig for at studere dens virkninger under de forskellige stadier af biofilmvækst. Nuværende værktøjer til måling af iltniveauer i biofilm forbruger enten selv ilt (hvilket fører til mindre nøjagtige resultater) eller kan kun opnå nøjagtige målinger fra overfladen, men ikke inden for biofilmene.

For at overvinde disse begrænsninger, Professor Thorsten WOHLAND fra Institut for Biologiske Videnskaber og Kemi, NUS har sammen med Prof Yehuda COHEN og Prof Scott RICE fra NTU tilpasset en ikke-invasiv teknik kaldet Transient State (TRAST) billeddannelse og anvendt den til at kvantificere iltniveauer i bakterielle biofilm. Dette førte til identifikation af iltmangelzoner inden for de mikroskopiske kolonier af P. aeruginosa. TRAST er en luminescensbaseret billedteknik. Det er baseret på det faktum, at visse fluoroforer (en type fluorescerende kemisk forbindelse) indtager to forskellige tilstande, en som udsender fluorescens og den anden en ikke-fluorescerende mørk tilstand. Brøken af ​​fluoroforer i den mørke tilstand afhænger af, hvor ofte fluoroforerne er spændte, og om de får nok tid til at komme tilbage fra de mørke tilstande til de fluorescerende tilstande. Ved at ændre belysningsskemaet på definerede måder, mængden af ​​fluoroforer på tværs af biofilmen (i mørk tilstand) kan nemt måles. Målingerne afhænger kun af fraktionen af ​​fluoroforer i mørk tilstand, hvilket betyder, at nøjagtigheden ikke påvirkes, selvom visse områder i biofilmen har højere fluoroforkoncentration. Da ilt undertrykker besættelsen af ​​mørke tilstande, og dermed sænker de fluoroforer, der befinder sig i mørk tilstand, TRAST kan bruges til at kvantificere iltkoncentrationer.

Dette værktøj har potentielle implikationer i mikrobiologi til at skelne iltrige og iltmangelfulde zoner, som typisk er optaget af henholdsvis aerobe og anaerobe bakterier i en multiarts biofilm. Denne differentiering er vigtig inden for diagnostik, fordi dette vil hjælpe med at identificere typen af ​​bakterier på infektionsstedet.

Det samme forskerhold har i samarbejde med professor Peter TÖRÖK fra ICL også udviklet en teknik, der anvender Brillouin-mikroskopi til at undersøge de mekaniske egenskaber af biofilm på mikrometerskalaniveau. Brillouin-mikroskopi muliggør kvantificering af kompressibilitet ved at måle skiftet i frekvensen af ​​indfaldende lys ved interaktion med biofilmen. Kompressibiliteten af ​​et materiale er den mængde spænding, der er nødvendig for at forårsage en ændring i et materiales volumen. Et materiales komprimerbarhed kan fortolkes i form af materialets stivhed. Materialer, der udviser større frekvensforskydninger, er stivere end dem med mindre frekvensskift. Denne teknik, som er "mærkefri" (dvs. ikke bruger nogen eller flere fremmedlegemer), kan potentielt bruges til at forstå de mikromekaniske egenskaber ved komplekse biofilm.

Prof Wohland sagde, "Biofilm kan have destruktive effekter, fx ved sårinfektion eller ved nedbrydning af materialer. Imidlertid, de kan også udnyttes til fremstilling af biologiske materialer eller andre processer. Begge applikationer kræver en god forståelse af biofilms fysiske og fysiologiske egenskaber. Derfor, nye værktøjer, som vores team har udviklet sig, er nødvendige for bedre at karakterisere biofilm i deres naturlige omgivelser."