Viscoso, Esteiras bacterianas difíceis de limpar, chamadas de biofilmes, causam problemas que variam de infecções médicas a ralos entupidos e equipamentos industriais sujos. Agora, pesquisadores de Princeton descobriram uma maneira de remover de forma limpa e completa essas notórias lodos.

Olhando para os filmes de uma perspectiva de engenharia mecânica, bem como um biológico, os pesquisadores mostraram que o uso de água para penetrar na junção entre os biofilmes e as superfícies, juntamente com o peeling suave, pode resultar em remoções imaculadas. Esse resultado contrasta com os métodos tradicionalmente ineficazes de raspar ou desalojar biofilmes mecanicamente, que às vezes deixam manchas ainda aderidas que crescem novamente e contaminam novamente.

O novo método de remoção deve ajudar a impedir biofilmes prejudiciais, bem como controlar os biofilmes benéficos cada vez mais utilizados para o tratamento de águas residuais, células de combustível microbianas e outras aplicações.

"Descobrimos uma maneira fácil e eficaz de remover biofilmes desagradáveis ​​de uma variedade de superfícies, "disse Jing Yan, um pesquisador associado trabalhando em conjunto nos laboratórios de Princeton de Howard Stone, o Donald R. Dixon '69 e Elizabeth W. Dixon Professor de Engenharia Mecânica e Aeroespacial, e Bonnie Bassler, o professor de Biologia Molecular da Squibb e o investigador do Howard Hughes Medical Institute.

O trabalho, ponte de biologia molecular, ciência dos materiais e engenharia mecânica, tirou proveito das comunidades de pesquisa colaborativa entre biologia molecular e engenharia.

Yan é o co-autor principal do artigo que descreve os resultados, publicado em 8 de outubro em Materiais avançados , junto com Alexis Moreau, que foi aluno visitante no laboratório de Stone e agora está de volta à Universidade de Montpellier, na França.

"Ao investigar e definir as propriedades materiais dos biofilmes bacterianos, em vez de suas propriedades biológicas, inventamos um novo método para separar biofilmes inteiros, "disse Bassler, co-autor do estudo.

Outros autores do estudo são Ned Wingreen, o Howard A. Prior Professor de Ciências da Vida; Andrej Košmrlj, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial; Sepideh Khodaparast, um ex-pesquisador no laboratório de Stone agora no Imperial College London; o pesquisador associado Sampriti Mukherjee; pesquisadores de pós-doutorado Jie Feng, Sheng Mao e Antonio Perazzo; e o estudante de graduação Chenyi Fei.

Para sua investigação, os pesquisadores de Princeton se voltaram para a bactéria Vibrio cholerae, que forma biofilmes na água do mar, água doce e no intestino humano. As medições revelaram que os biofilmes que ele produz exibem comportamentos mecânicos muito semelhantes aos hidrogéis, que são materiais amplamente estudados no laboratório de Stone.

Bem caracterizado, hidrogéis manipuláveis ​​têm muitas aplicações, especialmente na biomedicina, incluindo curativo para feridas, entrega de drogas e engenharia de tecidos. Biofilmes e hidrogéis são em grande parte feitos de água (cerca de 90 por cento). Eles possuem redes estruturais definidas que os tornam macios, viscoso e elástico. Sua elasticidade tem um limite, Contudo. Se perturbado muito vigorosamente, biofilmes e hidrogéis se quebrarão em pedaços. Essa fragilidade representa um desafio para a remoção do biofilme. Também impede a transferência intencional de filmes benéficos entre superfícies, por exemplo, em ambientes industriais, e ao executar experimentos em laboratório para estudar biofilmes em primeiro lugar.

Para aprender como evitar essa fragmentação, a equipe de Princeton examinou a fixação dos biofilmes de V. cholerae em uma variedade de tipos de superfície. Os pesquisadores viram que as bordas dos biofilmes eram repelentes de água, enquanto as superfícies às quais aderiram às vezes eram atraentes para a água. Com base neste insight, os pesquisadores procuraram criar uma cunha entre o biofilme e a superfície fixada, conduzindo a água para o espaço em que os materiais se encontram. Esta técnica, conhecido como peeling capilar, criou com sucesso uma fenda de alongamento que culminou na separação total do biofilme da superfície. O peeling com água deve ser lento para evitar rasgos no biofilme - semelhante a remover cuidadosamente um adesivo - mas os resultados mostraram que o tempo extra valeu a pena. "Nosso método de peeling capilar funcionou surpreendentemente bem, "disse Yan.

Um obstáculo para a implantação do método fora do laboratório é que muitos biofilmes existem em ambientes já aquosos, onde o peeling capilar parece ser um obstáculo. Para esses casos, Yan e seus colegas propuseram duas soluções potenciais para explorar em pesquisas futuras. Para biofilmes inicialmente cultivados debaixo d'água, o filme e seu objeto aderido podem ser removidos da solução e secos antes das tentativas de remoção. Alternativamente, a introdução de bolhas na interface biofilme-substrato pode fornecer o mesmo tipo de força capilar.

Geral, o novo estudo ilustra o valor de uma abordagem multidisciplinar, unindo diferentes campos para obter novos insights importantes.

Os sistemas biológicos devem obedecer às leis da física e, em muitos casos, também empregar a física para atingir seus objetivos, disse Shmuel Rubinstein, um professor associado de física aplicada na Universidade de Harvard que não estava envolvido na pesquisa. "A equipe interdisciplinar neste estudo que combina engenharia, a teoria e a biologia são de fato perfeitas para o problema complexo dos biofilmes. "

"Liderado por Jing, os alunos e pós-doutorandos fizeram um trabalho incrível no desenvolvimento de uma compreensão detalhada da ligação entre os componentes biológicos e as propriedades mecânicas macroscópicas dos biofilmes, "disse Stone." Nossa demonstração de que os biofilmes podem ser descascados - intactos - pode ser útil em uma infinidade de maneiras no futuro. "