利用光和基因工程細(xì)菌，斯坦福大學(xué)的研究人員能夠塑造細(xì)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(fù)雜的設(shè)計。該技術(shù)在3月19日在美國國家科學(xué)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(xué)助理教授Ingmar Riedel-Kruse說：”地球上的大多數(shù)細(xì)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?qū)Ч芗?xì)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(shù)可以闡明生物膜如何生長并導(dǎo)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(shè)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(shù)依賴于他們基因工程的大腸桿菌細(xì)菌分泌粘性蛋白質(zhì)以響應(yīng)特定波長的藍(lán)光。當(dāng)他們將適當(dāng)波長的光照射在修飾細(xì)菌培養(yǎng)皿上的所需圖案上時，細(xì)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(shù)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(xì)菌群落的技術(shù)，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(xì)菌生長的化學(xué)物質(zhì)預(yù)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(shù)進行復(fù)雜的設(shè)計可能有助于探索細(xì)菌群落的動態(tài)。

“生物膜與其他細(xì)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(xì)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(xì)菌群體中的極好工具。”

在測試生物膜光刻技術(shù)時，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個新的見解。他們認(rèn)為細(xì)胞在照明區(qū)域內(nèi)外游動會產(chǎn)生模糊的圖案，但設(shè)計出奇地尖銳。這些清晰的圖像使得該小組得出結(jié)論，許多細(xì)菌必須已經(jīng)弱結(jié)合到培養(yǎng)表面上。而不是巡視盤子，看起來細(xì)菌不斷地在表面上跳躍和跳躍。

Riedel-Kruse解釋說：“在文獻(xiàn)中，關(guān)于某些細(xì)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(rèn)為我們?yōu)檫@一假設(shè)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(dǎo)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(xì)菌設(shè)計應(yīng)用。

“我們希望這個工具可以用于進一步了解天然和合成細(xì)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(dǎo)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(shù)同時生長多種細(xì)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(xì)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。