Las biopelículas (capas viscosas que se forman cuando las bacterias se pegan en una superficie) permiten a las bacterias protegerse de ambientes extremos e incluso evadir los antibióticos. En un nuevo estudio, los investigadores han demostrado que la luz láser en forma de trampas ópticas se puede utilizar para controlar la formación de biopelículas. Los hallazgos podrían permitir a los científicos aprovechar estas capas microbianas para diversas aplicaciones de bioingeniería.
"La producción de componentes microscópicos normalmente requiere un proceso de fabricación altamente técnico, pero descubrimos que se pueden usar pinzas ópticas para controlar con precisión la posición de bacterias individuales o grupos de bacterias", dijo la líder del equipo de investigación Anna Bezryadina de la Universidad Estatal de California en Northridge. "Esto nos permite influir en los patrones de crecimiento de las estructuras bacterianas a nivel microscópico con gran precisión."
En la revista Biomedical Optics Express , los investigadores informan sobre sus experimentos con el uso de trampas ópticas para regular la agregación bacteriana y el desarrollo de biopelículas. Descubrieron que se pueden utilizar diferentes tipos de láseres para estimular y suprimir el crecimiento de biopelículas.
"Incluso podemos crear una especie de bloque de Lego bacteriano que se puede mover, pegar y destruir según sea necesario", dijo Bezryadina. "Este trabajo podría dar lugar, por ejemplo, a nuevos tipos de materiales biodegradables o a una nueva generación de biosensores basados en biopelículas."
La mayor parte de la investigación sobre biopelículas se ha centrado en enfoques mecánicos, químicos y biológicos para suprimir y controlar las biopelículas. Aunque los científicos han demostrado que se pueden utilizar enfoques sintéticos y químicos para activar y controlar biopelículas y diseñar biopelículas en estructuras espaciales específicas, Bezryadina y su equipo querían descubrir si se podrían utilizar métodos ópticos para controlar la dinámica de las biopelículas. Lograr esto requirió un equipo interdisciplinario con experiencia en tecnología óptica avanzada y microbiología.
Los investigadores experimentaron con Bacillus subtilis, una bacteria no patógena que forma biopelículas de forma natural. Utilizaron un entorno bajo en nutrientes que es hostil a B. subtilis para incitar a las bacterias a formar una biopelícula. Después de obtener pequeños grupos de biopelículas, llevaron a cabo experimentos de captura óptica utilizando un láser azul de 473 nm o un láser de Ti:zafiro del infrarrojo cercano que podía sintonizarse de 700 a 1000 nm.
Descubrieron que el uso de un láser que emitía a una longitud de onda de 820 nm a 830 nm permitía el atrapamiento óptico prolongado de grupos de biopelículas y, al mismo tiempo, minimizaba los fotodaños significativos. Sin embargo, el uso de un láser de 473 nm (una longitud de onda altamente absorbida por las bacterias) provocó que las células se rompieran y los grupos de biopelículas se desintegraran. También observaron que los grupos bacterianos ideales para la manipulación óptica estaban formados por entre tres y 15 células.
Cuando los investigadores estudiaron la dinámica de las bacterias y la formación de biopelículas utilizando pinzas ópticas a una longitud de onda de 820 nm durante una hora, descubrieron que los grupos de bacterias se agregaban cerca de los grupos atrapados ópticamente, se adherían a la superficie y comenzaban a formar una microcolonia. También podrían mover grupos de bacterias atrapadas ópticamente en toda la muestra a una posición específica, lo que podría ser útil para construir estructuras a partir de bacterias. El láser NIR no pareció interrumpir la formación de biopelículas para grupos bacterianos expuestos al láser NIR altamente enfocado, lo que implica que las longitudes de onda NIR en el rango de 800 nm a 850 nm podrían usarse durante períodos prolongados para la captura óptica, la manipulación y la formación de patrones. de grupos bacterianos.
"A pesar de la aparente formación incontrolada de biopelículas bacterianas en la naturaleza, nuestro trabajo demostró que la luz puede influir en la formación de biopelículas bacterianas", dijo Bezryadina. "Este artículo representa el primer paso en el proyecto a largo plazo para crear materiales de construcción microscópicos a partir de recursos fácilmente disponibles como las bacterias. En estudios futuros, estamos planeando utilizar lo que encontramos para desarrollar un proceso para construir estructuras a partir de bloques de Lego bacterianos".
En general, los experimentos revelaron cierta flexibilidad en las condiciones exactas de crecimiento, los tamaños de los grupos y las longitudes de onda necesarias para manipular las biopelículas. Los investigadores afirman que también podría ser posible utilizar su metodología con otros tipos de microorganismos formadores de biopelículas.
Más información: Czarlyn Camba et al, Formación y manipulación de biopelículas con pinzas ópticas, Biomedical Optics Express (2024). DOI:10.1364/BOE.510836
Información de la revista: Óptica Biomédica Express
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