Forskere finder en måde at skrælle slimede biofilm som gamle klistermærker

Slimet, svært at rengøre bakteriemåtter kaldet biofilm forårsager problemer lige fra medicinske infektioner til tilstoppede afløb og tilsmudset industriudstyr. Nu, forskere ved Princeton har fundet en måde at rense og fuldstændigt fjerne disse berygtede slam.

Ved at se filmene fra et maskinteknisk perspektiv, såvel som en biologisk, forskerne viste, at brug af vand til at trænge ind i krydset mellem biofilm og overflader, kombineret med blid skrælning, kan resultere i pletfri flytninger. Dette resultat står i kontrast til traditionelt ineffektive metoder til at skrabe eller mekanisk fjerne biofilm, som nogle gange efterlader stadig vedhæftede plastre, der vokser og genkontaminerer.

Den nye fjernelsesmetode skal hjælpe med at modvirke skadelige biofilm, samt kontrol af de gavnlige biofilm, der i stigende grad påberåbes til behandling af spildevand, mikrobielle brændselsceller og andre anvendelser.

"Vi har opdaget en nem og effektiv måde at fjerne grimme biofilm fra en række forskellige overflader, "sagde Jing Yan, en associeret forsker, der arbejder sammen i Princeton -laboratorierne i Howard Stone, Donald R. Dixon '69 og Elizabeth W. Dixon professor i mekanisk og luftfartsteknik, og Bonnie Bassler, Squibb -professor i molekylærbiologi og Howard Hughes Medical Institute Investigator.

Arbejdet, bygge bro mellem molekylærbiologi, materialevidenskab og maskinteknik, udnyttede de samarbejdende forskningsmiljøer mellem molekylærbiologi og teknik.

Yan er medlederforfatter af papiret, der beskriver resultaterne, udgivet 8. oktober i Avancerede materialer , sammen med Alexis Moreau, som var besøgende studerende i Stones laboratorium og nu er tilbage på universitetet i Montpellier i Frankrig.

"Ved at undersøge og definere materialegenskaberne for bakterielle biofilm, frem for deres biologiske egenskaber, vi har opfundet en ny metode til at løsne hele biofilm, "sagde studieforfatter Bassler.

Andre forfattere af undersøgelsen er Ned Wingreen, Howard A. Tidligere professor i biovidenskab; Andrej Košmrlj, en adjunkt i mekanik og rumfartsteknik; Sepideh Khodaparast, en tidligere forsker i Stone's lab nu ved Imperial College London; associeret forsker Sampriti Mukherjee; postdoktorale forskere Jie Feng, Sheng Mao og Antonio Perazzo; og kandidatstuderende Chenyi Fei.

Til deres efterforskning, Princeton -forskerne vendte sig til bakterien Vibrio cholerae, som danner biofilm i havvand, ferskvand og i menneskets tarm. Målinger afslørede, at de biofilm, den producerer, udviser mekanisk adfærd, der meget ligner hydrogeler, som er materialer omfattende undersøgt i Stones laboratorium.

Godt karakteriseret, manipulerbare hydrogeler har mange anvendelser, især inden for biomedicin, herunder sårforbinding, lægemiddellevering og vævsteknik. Biofilm og hydrogeler er stort set lavet af vand (ca. 90 procent). De besidder definerede strukturelle netværk, der gør dem bløde, tyktflydende og elastisk. Deres strækbarhed har en grænse, imidlertid. Hvis den forstyrres for kraftigt, biofilm og hydrogeler går i stykker. Denne skrøbelighed udgør en udfordring for fjernelse af biofilm. Det forhindrer også forsætlig overførsel af gavnlige film mellem overflader, for eksempel i industrielle omgivelser, og når man kører eksperimenter i laboratoriet for at studere biofilm i første omgang.

For at lære at undgå sådan fragmentering, Princeton -teamet undersøgte vedhæftningen af ​​V. cholerae -biofilmene til forskellige overfladetyper. Forskerne så, at kanterne på biofilmene var vandafvisende, mens overflader, de holdt sig til, undertiden var vand-attraktive. Baseret på denne indsigt, forskerne søgte at drive en kile mellem biofilmen og den vedhæftede overflade ved at føre vand ind i det rum, hvor materialerne mødes. Denne teknik, kendt som kapillærskalning, med succes skabt en forlængende revne, der kulminerede i fuld adskillelse af biofilmen fra overfladen. Den vandassisterede skrælning skal gå langsomt for at forhindre biofilmskår-svarende til omhyggeligt at fjerne et klistermærke-men resultaterne viste, at den ekstra tid var det hele værd. "Vores kapillærskrælningsmetode fungerede forbløffende godt, "sagde Yan.

En hindring for at implementere metoden uden for laboratoriet er, at der findes mange biofilm i allerede vandige miljøer, hvor kapillærskalning ser ud til at være en nonstarter. I disse tilfælde, Yan og kolleger har foreslået to potentielle løsninger at undersøge i fremtidig forskning. For biofilm, der oprindeligt blev dyrket under vandet, filmen og dens vedhæftede genstand kunne fjernes fra opløsningen og tørres ud før fjernelsesforsøg. Alternativt kan introduktion af bobler til biofilm-substratgrænsefladen kan levere den samme slags kapillarkraft.

Samlet set, den nye undersøgelse illustrerer værdien af ​​en tværfaglig tilgang, bygge bro mellem forskellige felter for at skabe vigtig ny indsigt.

Biologiske systemer skal overholde fysikkens love og i mange tilfælde også anvende fysik til at nå deres mål, sagde Shmuel Rubinstein, en lektor i anvendt fysik ved Harvard University, der ikke var involveret i forskningen. "Det tværfaglige team på dette studie, der kombinerer teknik, teori og biologi er virkelig perfekt til det komplekse problem med biofilm. "

"Anført af Jing, studerende og postdocs gjorde et fantastisk arbejde med at udvikle en detaljeret forståelse af sammenhængen mellem de biologiske komponenter og biofilmens makroskopiske mekaniske egenskaber, "sagde Stone." Vores demonstration af, at biofilm kan skrælles - intakte - kan vise sig nyttig på mange måder fremover. "