محققان پرینستون برای اولین بار مکانیسم چگونگی ساخت توده های لزج توسط باکتری ها به نام بیوفیلم، سلول به سلول را آشکار کردند. هنگامی که باکتری ها در بدن انسان در بیوفیلم ها قرار می گیرند، هزاران بار کمتر در معرض آنتی بیوتیک ها قرار می گیرند، و عفونت های خاصی مانند ذات الریه را برای درمان دشوار و بالقوه کشنده می کنند.
در مطالعه‌ای که در 6 سپتامبر در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شد، مهندسان و زیست‌شناسان دانشگاه پرینستون یک سلول باکتریایی را ردیابی کردند که به یک بیوفیلم بالغ از 10000 سلول با معماری منظم تبدیل شد.این یافته‌ها باید به دانشمندان کمک کند تا در مورد رفتار باکتری‌ها بیشتر بیاموزند و راه‌های جدیدی برای حمله به بیوفیلم‌ها با دارو بگشایند.
بانی باسلر، نویسنده ارشد مقاله و پروفسور اسکویب در زیست شناسی مولکولی در پرینستون و همچنین موسسه پزشکی هاوارد هیوز، می گوید: "هیچ کس تا به حال به داخل یک بیوفیلم زنده نگاه نکرده و سلول به سلول رشد آن را مشاهده نکرده است." محقق. با این مقاله، اکنون می‌توانیم برای اولین بار بفهمیم که چگونه جوامع باکتریایی یک بیوفیلم را تشکیل می‌دهند.»
این کشف به لطف یک روش میکروسکوپی ویژه پیشگام در پرینستون توسط یک همکار سابق تحقیقات فوق دکتری، کنات درشر، امکان پذیر شد، که امکان تصویربرداری از سلول های منفرد را فراهم می کرد و به محققان اجازه می داد یک بیوفیلم در حال جوانه زدن را در زمان واقعی دنبال کنند..
جینگ یان، محقق ارشد این مطالعه، می گوید: «ما از یک تکنیک پیشرفته برای دیدن هسته یک بیوفیلم زنده و در حال رشد استفاده کرده ایم.همراه با عضویت در آزمایشگاه باسلر، یان به گروه سیالات پیچیده به رهبری هاوارد استون، نویسنده ارشد مقاله، دونالد آر. دیکسون 69 و الیزابت دبلیو. دیکسون، استاد مهندسی مکانیک و هوافضا در پرینستون تعلق دارد. یان توسط نویسنده ارشد مقاله، ند وینگرین، استاد پیشین علوم زیستی هاوارد ای.
"تحقیقی که این مقاله را تولید کرد در مرز بین علم مواد، مهندسی، فیزیک و زیست شناسی قرار دارد و نشان دهنده یک همکاری فوق العاده در سراسر دانشگاه پرینستون است."
همراه با یان، باسلر، استون و وینگرین، پنجمین نویسنده مشترک این مقاله اندرو شارو، دانشجوی سابق مقطع کارشناسی در گروه فیزیک پرینستون و اکنون در دانشگاه کالیفرنیا-برکلی است.
محققان Vibrio cholerae را برای ارگانیسم بیوفیلم مدل خود انتخاب کردند، زیرا سابقه طولانی مطالعه آن و تهدیدی برای سلامت انسان، عامل بیماری اسهالی وبا است.یک باکتری منحنی میله ای شکل، V. cholerae به عنوان یک سلول شنای آزاد در آب شور یا آب شور زندگی می کند. هنگامی که V. cholerae با یک ذره غذا، شاید روی پوسته خرچنگ یا میگو، یا سلول روده انسان در طول بیماری تماس پیدا می کند، باکتری خود را چسبیده و شروع به تولید مثل می کند. اعضای مستعمره در حال گسترش ماده ای چسب مانند ترشح می کنند تا از شسته شدن خود جلوگیری کنند و از خود در برابر باکتری های رقیب محافظت کنند.
تلاش‌های قبلی برای بررسی نحوه تعامل سلول‌های یک بیوفیلم در حال رشد به دلیل وضوح نوری ناکافی شکست خورده بود. اساساً، کاری که یک سلول در توده مات انجام می‌داد، از همسایگانش قابل تشخیص نبود.
محققان پرینستون از راه های مختلفی بر این مشکل غلبه کردند. ابتدا، آنها سویه باکتری را اصلاح ژنتیکی کردند تا سلول ها پروتئین هایی تولید کنند که وقتی با رنگ های خاص نور روشن می شوند، به خوبی می درخشند. پروتئین‌های انتخاب‌شده درخشان‌ترین فلورسانس موجود را ارائه می‌دهند، و تشخیص هر سلول را آسان‌تر می‌کنند، در حالی که شدت نور بالقوه آسیب‌رسان به سلول مورد نیاز برای آزمایش را کاهش می‌دهند.
تیم سپس از یک میکروسکوپ کانفوکال استفاده کردند، دستگاهی که بر روی یک بخش از یک نمونه از فاصله مشخصی تمرکز می کند. با انجام صدها چنین مشاهداتی، می توان تصاویر را در کنار هم قرار داد تا تصویری سه بعدی از کل نمونه ایجاد شود. یان گفت: «این مانند نگاه کردن به داخل یک بیوفیلم بدون نیاز به برش دادن آن است.»
تقویت دیگری برای تیم تحقیقاتی ناشی از الگوریتم‌های رایانه‌ای است که در ابتدا برای رشته‌هایی مانند علم مواد توسعه یافته بودند. الگوریتم‌ها منابع نور را به‌صورت خوشه‌ای متمایز می‌کردند، در این مورد بسیاری از سلول‌های V. cholerae در یک بیوفیلم ضخیم‌تر هستند.
آنچه تیم پرینستون دید قابل توجه بود. در ابتدا، کلنی باکتری به صورت افقی در سطح داده شده در آزمایش گسترش یافت. با تقسیم شدن هر سلول، سلول‌های دختر به‌دست‌آمده در کنار سلول‌های والدین خود محکم به سطح می‌چسبند. با این حال، با فشرده شدن تعداد فزاینده باکتری های فرزندان، سلول های موجود در قلب کلنی در حال گسترش مجبور شدند از سطح جدا شوند و به صورت عمودی قرار گیرند.بنابراین، کلنی باکتری از یک توده مسطح و دو بعدی به یک حباب سه بعدی در حال انبساط تبدیل شد، که همگی توسط تفنگ در بیوفیلم در حال توسعه در کنار هم نگه داشته شدند.
تیم پرینستون کمی عمیق تر به ژنتیک پشت این رفتار سلولی پرداختند. یک ژن واحد که RbmA نام دارد، کلید رفتاری است که در آن سلول های جدید به گونه ای به هم متصل می شوند تا یک بیوفیلم سه بعدی ایجاد کنند. هنگامی که محققان ژن را غیرفعال کردند، یک بیوفیلم بزرگ، منتشر و فلاپی تشکیل شد. با این حال، هنگامی که RbmA به طور طبیعی عمل کرد، یک بیوفیلم متراکم تر و قوی تر ایجاد شد زیرا سلول ها به یکدیگر متصل می شدند. بنابراین، RbmA انعطاف‌پذیری بیوفیلم را فراهم می‌کند و بینشی در مورد پاشنه آشیل بالقوه‌ای که می‌تواند برای مداخله درمانی هدف قرار گیرد، ارائه می‌کند.
کار در حال انجام اکنون در حال اندازه‌گیری نیروهای فیزیکی است که توسط سلول‌هایی که در مرکز بیوفیلم بالا می‌روند، اندازه‌گیری می‌شود تا مکانیک کلی را بتوان دقیقاً بررسی کرد. استون گفت: «ما در حال حاضر در تلاش هستیم تا یک مدل ریاضی برای چگونگی رشد کلنی باکتری در زمان و چگونگی ارتباط ویژگی‌های فضایی با ویژگی‌های مکانیکی معمولی بیوفیلم ایجاد کنیم.
محققان همچنین قصد دارند از روش میکروسکوپی جدید خود برای بررسی سایر باکتری های بیوفیلم ساز در پشت بیماری های انسانی استفاده کنند. یک مثال: سودوموناس آئروژینوزا، عامل اصلی عفونت های کشنده ریه برای افراد مبتلا به فیبروز کیستیک. پاتوژن دیگر استافیلوکوکوس اورئوس است که معمولاً استاف نامیده می شود. جالب اینجاست که مکانیسم نحوه ساخت بیوفیلم توسط این دو باکتری باید با V. cholerae متفاوت باشد. اگرچه سلول های P. aeruginosa مانند V. cholerae میله ای شکل هستند، اما دارای برجستگی هایی هستند که به آنها کمک می کند تا روی سطوح بخزند. در همین حال، سلول‌های استاف کروی هستند، بنابراین نمی‌توان آنها را با قطب‌هایشان به هم متصل کرد.
تکنیک‌هایی که یان و همکارانش پیشگام شدند می‌تواند به محققان پزشکی کمک کند تا در مورد اثربخشی دارو با اعضای ژنتیکی متفاوت بیوفیلم باکتریایی مشابه و با بیوفیلم‌هایی با معماری‌های مختلف آشنا شوند. کار آینده ممکن است راه‌هایی را برای تجزیه بهتر لایه محافظ پیشنهاد کند تا آنتی‌بیوتیک‌ها بتوانند به طور کامل نفوذ کنند و میکروب‌های بیماری‌زا را از بین ببرند.
