利用光和基因工程細菌，斯坦福大學的研究人員能夠塑造細菌群落的生長。從波爾卡圓點到條紋到電路，它們可以在一夜之間呈現(xiàn)錯綜復雜的設計。該技術在3月19日在美國國家科學院的會議記錄中描述，可以實現(xiàn)以25微米的分辨率生長的生物膜，其大約是一粒食鹽的大小的四分之一。
“生物工程學助理教授Ingmar Riedel-Kruse說：”地球上的大多數(shù)細菌都生活在生物膜群落中，而生物膜在健康疾病中非常重要 - 例如我們牙齒上的菌斑或導管細菌感染。該文件。“了解生物膜的功能如何在許多層面上是一個重要問題。”
該組織表示，該技術可以闡明生物膜如何生長并導致新型生物材料或合成微生物群落的開發(fā)，這些新型生物材料或微生物群落可用于小型設備或系統(tǒng)，如微流控芯片或基于生物膜的電路。
生物膜光刻
該小組的技術依賴于他們基因工程的大腸桿菌細菌分泌粘性蛋白質以響應特定波長的藍光。當他們將適當波長的光照射在修飾細菌培養(yǎng)皿上的所需圖案上時，細菌粘附在光照區(qū)域，形成圖案形狀的生物膜。研究人員稱他們的技術生物膜光刻與制造電子電路中使用的光刻相似。
存在其他圖案化細菌群落的技術，包括用噴墨打印機沉積它們，或者用在特定區(qū)域中偏向細菌生長的化學物質預先形成培養(yǎng)表面圖案。然而，生物膜光刻具有速度快，簡單，分辨率高以及與各種表面環(huán)境（包括封閉的微流體裝置）兼容的優(yōu)點，研究人員說。
使用生物膜光刻技術進行復雜的設計可能有助于探索細菌群落的動態(tài)。
“生物膜與其他細菌存在于一個社會環(huán)境中，”生物工程研究生Xiaofan Jin說。他是該論文的主要作者。“這些細菌之間的相互作用通常是由它們相對于彼此生長的地方?jīng)Q定的，并且這可能是確切指定某些物種能夠在何時何地存活于細菌群體中的極好工具。”
在測試生物膜光刻技術時，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個新的見解。他們認為細胞在照明區(qū)域內外游動會產生模糊的圖案，但設計出奇地尖銳。這些清晰的圖像使得該小組得出結論，許多細菌必須已經(jīng)弱結合到培養(yǎng)表面上。而不是巡視盤子，看起來細菌不斷地在表面上跳躍和跳躍。
Riedel-Kruse解釋說：“在文獻中，關于某些細菌物種如何形成生物膜有不同的模型。“至少在這個物種中，我們認為我們?yōu)檫@一假設提供了額外的證據(jù)。”
硅靈感
巧合的是，研究人員用生物膜獲得的25微米分辨率與第一種硅光刻法類似，這促成了硅半導體的廣泛成功。同樣，研究人員看到了許多多功能和有影響力的細菌設計應用。
“我們希望這個工具可以用于進一步了解天然和合成細菌群落，”Jin說。“我們也看到了讓這些社區(qū)做有用的事情的潛力，如代謝生物合成或分布式生物計算。甚至有可能創(chuàng)造新型生物材料，如導電生物膜電路。“
研究人員目前正在采取措施，通過生物膜光刻技術同時生長多種細菌菌株，以形成多種群落。特別是，他們希望了解生物膜中的細菌如何共享抗生素抗性 - 這是一個具有重大臨床意義的問題，因為生物膜以頑固抗生素治療而聞名。