Slijmerig, moeilijk te reinigen bacteriematten, biofilms genaamd, veroorzaken problemen, variërend van medische infecties tot verstopte afvoeren en vervuilde industriële apparatuur. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Princeton hebben een manier gevonden om dit beruchte slib schoon en volledig te verwijderen.

Door naar de films te kijken vanuit een werktuigbouwkundig perspectief, evenals een biologische, de onderzoekers toonden aan dat het gebruik van water om de kruising tussen biofilms en oppervlakken te penetreren, in combinatie met een zachte peeling, kan resulteren in onberispelijke verwijderingen. Dat resultaat staat in schril contrast met traditioneel ineffectieve methoden om biofilms te schrapen of mechanisch los te maken, die soms nog steeds klevende plekken achterlaten die opnieuw groeien en opnieuw besmetten.

De nieuwe verwijderingsmethode moet helpen bij het tegengaan van schadelijke biofilms, evenals het beheersen van de gunstige biofilms waarop steeds meer wordt vertrouwd voor de behandeling van afvalwater, microbiële brandstofcellen en andere toepassingen.

"We hebben een gemakkelijke en effectieve manier ontdekt om vervelende biofilms van verschillende oppervlakken te verwijderen, " zei Jing Yan, een geassocieerd onderzoeker die samenwerkt in de Princeton-laboratoria van Howard Stone, de Donald R. Dixon '69 en Elizabeth W. Dixon hoogleraar Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, en Bonnie Bassler, de Squibb hoogleraar moleculaire biologie en Howard Hughes Medical Institute Investigator.

Het werk, moleculaire biologie overbruggen, materiaalkunde en werktuigbouwkunde, profiteerde van de gezamenlijke onderzoeksgemeenschappen tussen moleculaire biologie en engineering.

Yan is de co-hoofdauteur van het artikel waarin de resultaten worden beschreven, gepubliceerd op 8 oktober in Geavanceerde materialen , samen met Alexis Moreau, die een gaststudent was in het lab van Stone en nu terug is aan de universiteit van Montpellier in Frankrijk.

"Door de materiaaleigenschappen van bacteriële biofilms te onderzoeken en te definiëren, in plaats van hun biologische eigenschappen, we hebben een nieuwe methode bedacht om hele biofilms los te maken, " zei co-auteur van de studie Bassler.

Andere auteurs van de studie zijn Ned Wingreen, de Howard A. Prior Professor of the Life Sciences; Andrej Košmrlj, een assistent-professor werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek; Sepideh Khodaparast, een voormalig onderzoeker in het laboratorium van Stone, nu aan het Imperial College London; geassocieerd onderzoeker Sampriti Mukherjee; postdoctoraal onderzoekers Jie Feng, Sheng Mao en Antonio Perazzo; en afgestudeerde student Chenyi Fei.

Voor hun onderzoek hebben de Princeton-onderzoekers wendden zich tot de bacterie Vibrio cholerae, die biofilms vormt in zeewater, zoet water en in de menselijke darm. Metingen onthulden dat de biofilms die het produceert mechanisch gedrag vertonen dat erg lijkt op hydrogels, dat zijn materialen die uitgebreid zijn bestudeerd in het laboratorium van Stone.

goed gekarakteriseerd, manipuleerbare hydrogels hebben vele toepassingen, vooral in de biogeneeskunde, inclusief wondverband, medicijnafgifte en tissue engineering. Biofilms en hydrogels zijn grotendeels gemaakt van water (ongeveer 90 procent). Ze beschikken over gedefinieerde structurele netwerken die ze zacht maken, stroperig en elastisch. Hun rekbaarheid heeft een grens, echter. Als het te heftig wordt verstoord, biofilms en hydrogels zullen in stukken breken. Deze kwetsbaarheid vormt een uitdaging voor het verwijderen van biofilm. Het belemmert ook de opzettelijke overdracht van gunstige films tussen oppervlakken, bijvoorbeeld in industriële omgevingen, en bij het uitvoeren van experimenten in het laboratorium om biofilms in de eerste plaats te bestuderen.

Om te leren hoe u een dergelijke versnippering kunt voorkomen, het Princeton-team onderzocht de hechting van de biofilms van V. cholerae aan verschillende oppervlaktetypes. De onderzoekers zagen dat de randen van de biofilms waterafstotend waren, terwijl oppervlakken waaraan ze hechtten soms wateraantrekkelijk waren. Op basis van dit inzicht, de onderzoekers probeerden een wig te drijven tussen de biofilm en het aangehechte oppervlak door water in de ruimte te drijven waar de materialen samenkomen. Deze techniek, bekend als capillaire peeling, creëerde met succes een verlengende scheur die culmineerde in volledige scheiding van de biofilm van het oppervlak. De waterondersteunde peeling moet langzaam gaan om biofilmscheuren te voorkomen - vergelijkbaar met het voorzichtig verwijderen van een sticker - maar de resultaten toonden aan dat de extra tijd de moeite waard was. "Onze capillaire peelingmethode werkte verbazingwekkend goed, " zei Jan.

Een obstakel voor het toepassen van de methode buiten het laboratorium is dat er veel biofilms bestaan ​​in reeds waterige omgevingen, waar capillaire peeling een nonstarter lijkt te zijn. Voor die gevallen is Yan en collega's hebben twee mogelijke oplossingen voorgesteld om in toekomstig onderzoek te onderzoeken. Voor biofilms die aanvankelijk onder water zijn gegroeid, de film en het vastgehechte object kunnen uit de oplossing worden verwijderd en worden gedroogd voordat verwijderingspogingen worden ondernomen. Alternatief, het introduceren van bubbels in de biofilm-substraatinterface kan dezelfde soort capillaire kracht opleveren.

Algemeen, de nieuwe studie illustreert de waarde van een multidisciplinaire aanpak, het overbruggen van verschillende velden om belangrijke nieuwe inzichten te verkrijgen.

Biologische systemen moeten de wetten van de fysica gehoorzamen en in veel gevallen ook fysica gebruiken om hun doelen te bereiken, zei Shmuel Rubinstein, een universitair hoofddocent toegepaste natuurkunde aan de Harvard University die niet bij het onderzoek was betrokken. "Het interdisciplinaire team van deze studie dat techniek, theorie en biologie is inderdaad perfect voor het complexe probleem van biofilms."

"Onder leiding van Jing, de studenten en postdocs hebben geweldig werk verricht bij het ontwikkelen van een gedetailleerd begrip van het verband tussen de biologische componenten en de macroscopische mechanische eigenschappen van biofilms, "zei Stone. "Onze demonstratie dat biofilms kunnen worden gepeld - intact - kan in de toekomst op een groot aantal manieren nuttig zijn."