Os biofilmes – camadas viscosas formadas quando as bactérias se unem numa superfície – permitem que as bactérias se protejam de ambientes extremos e até evitem os antibióticos. Num novo estudo, os investigadores demonstraram que a luz laser na forma de armadilhas ópticas pode ser usada para controlar a formação de biofilme. As descobertas poderiam permitir aos cientistas aproveitar essas camadas microbianas para várias aplicações de bioengenharia.



"A produção de componentes microscópicos geralmente requer um processo de fabricação altamente técnico, mas descobrimos que pinças ópticas podem ser usadas para controlar com precisão a posição de bactérias individuais ou grupos de bactérias", disse a líder da equipe de pesquisa Anna Bezryadina, da California State University Northridge. "Isso nos permite influenciar os padrões de crescimento das estruturas bacterianas em nível microscópico com alta precisão."

Na revista Biomedical Optics Express , os pesquisadores relatam seus experimentos com o uso de armadilhas ópticas para regular a agregação bacteriana e o desenvolvimento de biofilme. Eles descobriram que diferentes tipos de lasers podem ser usados ​​para estimular e suprimir o crescimento do biofilme.

“Podemos até criar uma espécie de bloco bacteriano de Lego que pode ser movido, colado e destruído conforme necessário”, disse Bezryadina. “Este trabalho pode levar a novos tipos de materiais biodegradáveis ​​ou a uma nova geração de biossensores baseados em biofilme, por exemplo.”

Usando luz para controlar o crescimento bacteriano

A maioria das pesquisas sobre biofilmes concentrou-se em abordagens mecânicas, químicas e biológicas para suprimir e controlar biofilmes. Embora os cientistas tenham mostrado que abordagens sintéticas e químicas podem ser usadas para ativar e controlar biofilmes e projetar biofilmes em estruturas espaciais específicas, Bezryadina e sua equipe queriam descobrir se métodos ópticos poderiam ser usados ​​para controlar a dinâmica do biofilme. Conseguir isso exigiu uma equipe interdisciplinar com experiência em tecnologia óptica avançada e microbiologia.

Os pesquisadores fizeram experiências com Bacillus subtilis, uma bactéria não patogênica que forma naturalmente biofilmes. Eles usaram um ambiente com poucos nutrientes e hostil à B. subtilis para levar a bactéria a formar um biofilme. Depois de obter pequenos aglomerados de biofilme, eles conduziram experimentos de captura óptica usando um laser azul de 473 nm ou um laser infravermelho próximo de Ti:safira que poderia ser ajustado de 700 a 1000 nm.

Eles descobriram que o uso de um laser emitindo em um comprimento de onda de 820 nm a 830 nm permitiu o aprisionamento óptico prolongado de aglomerados de biofilme, ao mesmo tempo que minimizou fotodanos significativos. No entanto, o uso de um laser de 473 nm – um comprimento de onda altamente absorvido pelas bactérias – causou a ruptura das células e a desintegração dos aglomerados de biofilme. Eles também observaram que os aglomerados bacterianos ideais para manipulação óptica consistiam de três a 15 células.

Fazendo padrões

Quando os pesquisadores estudaram a dinâmica das bactérias e a formação de biofilme usando pinças ópticas no comprimento de onda de 820 nm durante uma hora, eles descobriram que os aglomerados de bactérias agregaram-se perto dos aglomerados opticamente presos, aderiram à superfície e começaram a formar uma microcolônia. Eles também poderiam mover aglomerados de bactérias presas opticamente em toda a amostra para uma posição específica, o que poderia ser útil para construir estruturas a partir de bactérias. O laser NIR não pareceu perturbar a formação de biofilme para aglomerados bacterianos expostos ao laser NIR altamente focado, o que implica que os comprimentos de onda NIR na faixa de 800 nm a 850 nm poderiam ser usados ​​por longos períodos de tempo para captura óptica, manipulação e formação de padrões de aglomerados bacterianos.

“Apesar da aparente formação descontrolada de biofilme bacteriano na natureza, nosso trabalho mostrou que a formação de biofilme bacteriano pode ser influenciada pela luz”, disse Bezryadina. "Este artigo representa o primeiro passo no projeto de longo prazo para criar materiais de construção microscópicos a partir de recursos prontamente disponíveis, como bactérias. Em estudos futuros, estamos planejando usar o que descobrimos para desenvolver um processo para construir estruturas a partir de blocos bacterianos de Lego."

No geral, os experimentos revelaram alguma flexibilidade nas condições exatas de crescimento, tamanhos de aglomerados e comprimentos de onda necessários para a manipulação dos biofilmes. Os pesquisadores afirmam que também pode ser possível usar sua metodologia com outros tipos de microrganismos formadores de biofilme.

Mais informações: Czarlyn Camba et al, Formação e manipulação de biofilme com pinças ópticas, Biomedical Optics Express (2024). DOI:10.1364/BOE.510836
Informações do diário: Óptica Biomédica Express

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