Производственные инновации для профессионалов

Исследователи Montana State University разрабатывают технологию 3D-печати для создания биопленок

Кэтрин Зимлих и Айзек Торнтон воспроизводят микробные мозаики, что позволит изучить инновационные методы лечения

Фото Эдварда Уэйкфилда Эдвард Уэйкфилд

Докторант МГУ по микробиологии Кэтрин Зимлич (слева) и докторант по машиностроению Айзек Торнтон с устройством 3D-печати, которое они использовали для депонирования микробов и создания биопленок. MSU Фото Адриана Санчеса-Гонсалеса

Борьба с опасными для жизни бактериальными инфекциями, уменьшение слизи, засоряющей трубы, и предотвращение образования зубного налета на зубах - все это может в один прекрасный день оказаться полезным благодаря новой технологии, разработанной исследователями Университета штата Монтана (MSU) Кэтрин Зимлич и Айзеком Торнтоном. Когда бактерии и другие микробы прилипают к поверхностям и создают слизистые маты, называемые биопленкой, они образуют сложные сообщества, которые часто устойчивы к традиционным дезинфицирующим средствам. Теперь ученые из Центра инженерии биопленок МГУ разрабатывают инструмент для воспроизведения микробной мозаики, что позволит изучить инновационные методы лечения.

"Мы рады поделиться первыми проблесками этой технологии", - сказал Айзек Торнтон, который в настоящее время получает докторскую степень в области машиностроения и работает вместе со студенткой докторантуры по микробиологии Кэтрин Цимлих.

В течение последних двух лет Кэтрин Зимлич и Айзек Торнтон разрабатывали и испытывали устройство для 3D-печати, которое может точно выкладывать сетку из отдельных бактерий в гидрогеле. Используя достижения в области 3D-печати, исследователи МГУ могут наносить микробы на капли жидкой гидрогелевой смолы, а затем с помощью лазерного излучения затвердевать материал, создавая рудиментарную биопленку.

"Мы можем пространственно расположить и инкапсулировать клетки именно там, где нам нужно", - сказал Айзек Торнтон, который проводит исследование в лаборатории Джима Уилкинга, доцента кафедры химической и биологической инженерии Инженерного колледжа MSU имени Норма Асбьернсона.

До сих пор пара использовала только один вид бактерий, но если использовать 3D-принтер для нескольких проходов, каждый с разными видами или штаммами бактерий, они смогут начать создавать более сложные и многослойные биопленки, встречающиеся в природе. Добавив в бактерии флуоресцентный краситель, исследователи МГУ смогут легко увидеть микробы с помощью специализированных микроскопов, что позволит им изучить взаимодействия, происходящие между клетками.

Исследователи Montana State University разрабатывают технологию 3D-печати для создания биопленок

Жизненный цикл биопленки. Источник: MSU

"Даже самые простые системы биопленок сложны", - говорит Кэтрин Цимлих. "Это как лес, где много разнообразия. Нам нужны новые инструменты, чтобы увидеть, как это разнообразие развивается и поддерживается".

Известно, что динамическая среда внутри биопленки может способствовать тому, что микробы становятся устойчивыми к традиционным методам лечения. Профессор MSU и давний исследователь биопленок Фил Стюарт показал, что бактерия, которая обычно вызывает опасные раневые инфекции, сопротивляется антибиотикам, потому что клетки на нижнем уровне биопленки отрезаны от кислорода и других соединений, что заставляет их впадать в спячку и тем самым менять свою биологию настолько, что лекарство становится неэффективным.

"Одна вещь, которая становится все более очевидной, заключается в том, что существует потенциал для лечения этих патогенных бактерий путем изменения интерактивной среды биопленки вместо того, чтобы пытаться использовать жесткие химические средства", - говорит Кэтрин Цимлих, чьим научным руководителем является Мэтью Филдс, директор Центра инженерии биопленок. Например, лечение может включать в себя внедрение безвредных бактерий, которые конкурируют с вредными микробами и нарушают защитную биопленку.

Для разработки таких методов лечения потребуется много испытаний в контролируемой лабораторной среде, и именно здесь на помощь приходит новый инструмент 3D-печати. "Мы считаем, что можно создать аналоги того, как эти патогенные биопленки формируются естественным образом", - говорит Кэтрин Цимлих.

Такие компании, как Procter and Gamble, 3M и Ecolab, а также НАСА, стремятся разработать новые способы эффективного контроля проблемных биопленок, по словам Пола Стурмана, который координирует работу центра с примерно 30 промышленными партнерами.

"Все дело в том, чтобы помочь им разработать полезные продукты", - говорит Пол Стурман. "Встреча - это отличный способ для наших членов быть в курсе последних исследований в области биопленок. И мы можем продемонстрировать работу, которую мы делаем и на которую способны".

С момента своего основания более 30 лет назад Центр инженерии биопленок является мировым лидером в изучении биопленок, пионером междисциплинарного подхода, объединяющего различные области инженерии, микробиологии и другие сферы для решения реальных проблем. По словам Айзека Торнтона - именно это и привлекло его к проекту. "Очень приятно иметь такую возможность привнести мои навыки в области машиностроения, чтобы помочь микробиологам ответить на вопросы нового поколения", - сказал он.

"Мы должны работать вместе", - сказала Кэтрин Зимлих. "Я думаю, что это одно из лучших мест в мире для изучения этих вопросов".

Поделиться

Заметили ошибку? Сообщите нам: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy andTerms of Service apply.