NUS-wetenschappers, samen met onderzoekers van Nanyang Technological University (NTU) en Imperial College London (ICL), hebben niet-invasieve biofysische technieken ontwikkeld om de zuurstofconcentratie en micromechanische eigenschappen in bacteriële biofilms te kwantificeren en hun realtime reacties op omgevingsveranderingen te begrijpen.

Gemeenschappen van bacteriën, schimmels, protozoa of algen die aan elkaar of oppervlakken hechten, worden biofilms genoemd. De biofilms worden gekenmerkt door een verscheidenheid aan eigenschappen die niet typisch worden gevonden in geïsoleerde vrijlevende organismen. Een van de opkomende eigenschappen van biofilms die relevant zijn in de context van de menselijke gezondheid, is hun verhoogde tolerantie voor ontsmettingsmiddelen en antibiotica. Hoewel sommige biofilms gunstig zijn (bijvoorbeeld die welke betrokken zijn bij afvalwaterzuivering en bioremediatie), vele andere zijn schadelijk (bijvoorbeeld die welke betrokken zijn bij infecties en corrosie). Zoals bij elk levend organisme, biofilms passen zich voortdurend aan en reageren op een verscheidenheid aan omgevingsstress, zoals veranderingen in de beschikbaarheid van voedingsstoffen of zuurstof.

Zuurstof speelt een essentiële rol bij het opwekken van energie voor celonderhoud en -groei. Het kwantificeren van de hoeveelheid zuurstof is nodig om de effecten ervan tijdens de verschillende stadia van biofilmgroei te bestuderen. Huidige instrumenten voor het meten van zuurstofniveaus in biofilms verbruiken ofwel zelf zuurstof (wat leidt tot minder nauwkeurige resultaten) of kunnen alleen nauwkeurige metingen verkrijgen vanaf het oppervlak, maar niet binnen de biofilms.

Om deze beperkingen te overwinnen, Prof Thorsten WOHLAND van de departementen Biologische Wetenschappen en Scheikunde, NUS heeft samen met prof. Yehuda COHEN en prof. Scott RICE van NTU een niet-invasieve techniek genaamd Transient State (TRAST) beeldvorming aangepast en toegepast om zuurstofniveaus in bacteriële biofilms te kwantificeren. Dit leidde tot de identificatie van zuurstofarme zones binnen de microscopisch kleine kolonies van P. aeruginosa. TRAST is een op luminescentie gebaseerde beeldvormingstechniek. Het is gebaseerd op het feit dat bepaalde fluoroforen (een soort fluorescerende chemische verbinding) twee verschillende toestanden innemen, één die fluorescentie uitzendt en de andere een niet-fluorescerende donkere toestand. De fractie fluoroforen in de donkere toestand hangt af van hoe vaak de fluoroforen worden geëxciteerd en of ze voldoende tijd krijgen om terug te komen van de donkere toestanden naar de fluorescerende toestanden. Door het verlichtingsschema op gedefinieerde manieren te veranderen, de hoeveelheid fluoroforen over de biofilm (in de donkere toestand) kan gemakkelijk worden gemeten. De metingen zijn alleen afhankelijk van de fractie fluoroforen in de donkere toestand, wat betekent dat de nauwkeurigheid niet wordt beïnvloed, zelfs als bepaalde gebieden in de biofilm een ​​hogere fluorofoorconcentratie hebben. Omdat zuurstof de bezetting van donkere staten onderdrukt, en verlaagt zo de fluoroforen die zich in de donkere staat bevinden, TRAST kan worden gebruikt om zuurstofconcentraties te kwantificeren.

Deze tool heeft mogelijke implicaties in de microbiologie om zuurstofrijke en zuurstofarme zones te onderscheiden, die typisch worden ingenomen door respectievelijk aërobe en anaërobe bacteriën in een biofilm met meerdere soorten. Deze differentiatie is belangrijk in de diagnostiek omdat dit helpt bij het identificeren van het type bacterie op de infectieplaats.

Hetzelfde onderzoeksteam heeft in samenwerking met Prof Peter TÖRÖK van ICL ook een techniek ontwikkeld met behulp van Brillouin-microscopie om de mechanische eigenschappen van biofilms op micrometerschaal te onderzoeken. Brillouin-microscopie maakt de kwantificering van samendrukbaarheid mogelijk door de verschuiving in de frequentie van invallend licht bij interactie met de biofilm te meten. De samendrukbaarheid van een materiaal is de hoeveelheid spanning die nodig is om een ​​verandering in het volume van een materiaal te veroorzaken. De samendrukbaarheid van een materiaal kan worden geïnterpreteerd in termen van de stijfheid van het materiaal. Materialen met grotere frequentieverschuivingen zijn stijver dan materialen met kleinere frequentieverschuivingen. Deze techniek, die "labelvrij" is (d.w.z. geen vreemde moleculen gebruikt), kan mogelijk worden gebruikt om de micromechanische eigenschappen van complexe biofilms te begrijpen.

Prof Wohland zei:"Biofilms kunnen destructieve effecten hebben, bijvoorbeeld bij wondinfectie of bij de afbraak van materialen. Echter, ze kunnen ook worden ingezet voor de productie van biologische materialen of andere processen. Voor beide toepassingen is een goed begrip nodig van de fysische en fysiologische eigenschappen van biofilms. Daarom, nieuwe gereedschappen, zoals ons team zich heeft ontwikkeld, zijn nodig om biofilms in hun natuurlijke omgeving beter te karakteriseren."