I ricercatori della MSU svelano la tecnologia di stampa 3D che potrebbe far progredire la scienza del biofilm
La studentessa di dottorato in microbiologia della MSU Kathryn Zimlich, a sinistra, e Isaak Thornton, studente di dottorato in ingegneria meccanica, con un dispositivo di stampa 3D che hanno utilizzato per depositare microbi e creare biofilm. MSU Foto di Adrian Sanchez-Gonzalez
BOZEMAN — Combattere le infezioni batteriche pericolose per la vita, ridurre la melma che ostruisce i tubi, prevenire l’accumulo di placca sui denti: tutto potrebbe un giorno trarre vantaggio da una nuova tecnologia sviluppata dai ricercatori della Montana State University.
Quando batteri e altri microbi si attaccano alle superfici e creano tappeti viscidi, chiamati biofilm, formano comunità complesse che sono spesso resistenti ai disinfettanti tradizionali. Ora, gli scienziati del Center for Biofilm Engineering della MSU stanno sviluppando uno strumento per replicare i mosaici microbici in modo da poter studiare trattamenti innovativi.
“Siamo entusiasti di condividere i primi scorci di questa tecnologia”, ha affermato Isaak Thornton, che sta ottenendo il dottorato in ingegneria meccanica. Thornton, insieme alla studentessa di dottorato in microbiologia Kathryn Zimlich, presenterà il loro lavoro durante l’annuale Montana Biofilm Meeting a Bozeman dal 12 al 14 luglio, che riunisce ricercatori e partner industriali di tutto il mondo per discutere le ultime novità scientifiche sui biofilm.
Negli ultimi due anni, Zimlich e Thornton hanno progettato e testato un dispositivo di stampa 3D in grado di tracciare con precisione una griglia di singoli batteri in idrogel, una sostanza trasparente simile alla gelatina. Attingendo ai progressi della stampa 3D, i ricercatori possono mappare i microbi all’interno di gocce di resina idrogel liquida e quindi utilizzare la luce laser per solidificare il materiale, costruendo un biofilm rudimentale.
“Possiamo disporre e incapsulare spazialmente le cellule esattamente dove le vogliamo”, ha affermato Thornton, che sta conducendo la ricerca nel laboratorio di Jim Wilking , professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica presso il Norm Asbjornson College of Engineering della MSU .
Finora Zimlich e Thornton hanno utilizzato solo una singola specie di batteri, ma utilizzando la stampante 3D per eseguire più passaggi, ciascuno con una specie o un ceppo batterico diverso, potrebbero iniziare a creare i biofilm più complessi e stratificati che si trovano in natura. Aggiungendo colorante fluorescente ai batteri, i ricercatori possono facilmente vedere i microbi utilizzando microscopi specializzati, consentendo loro di studiare le interazioni che avvengono tra le cellule.
“Anche i più semplici sistemi di biofilm sono complicati”, ha affermato Zimlich. “È come una foresta dove c’è molta diversità. Abbiamo bisogno di nuovi strumenti per vedere come questa diversità si sviluppa e viene mantenuta”.
È noto che l’ambiente dinamico all’interno di un biofilm può contribuire a rendere i microbi resistenti ai trattamenti tradizionali. Il professore di MSU Regents e ricercatore di biofilm di lunga data Phil Stewart ha dimostrato che un batterio che comunemente causa pericolose infezioni delle ferite resiste agli antibiotici perché le cellule nel livello inferiore del biofilm sono tagliate fuori dall’ossigeno e da altri composti, facendoli andare in letargo e cambiando così il loro abbastanza biologia da rendere inefficace il farmaco.
“Una cosa che sta diventando più chiara è che esiste il potenziale per trattare questi batteri patogeni alterando l’ambiente interattivo del biofilm invece di cercare di utilizzare prodotti chimici aggressivi”, ha affermato Zimlich, il cui consulente per la ricerca è Matthew Fields , direttore del Center for Biofilm Engineering. ad esempio, i trattamenti potrebbero comportare l’introduzione di batteri innocui che competono con i microbi dannosi e interrompono il biofilm protettivo.
Lo sviluppo di questi trattamenti richiederà molti test in un ambiente di laboratorio controllato, ed è qui che entra in gioco il nuovo strumento di stampa 3D. “Pensiamo che sia possibile costruire analoghi di come questi biofilm patogeni si formano naturalmente”, ha affermato Zimlich.
Questo è potenzialmente di grande interesse per i partecipanti alla riunione del biofilm. Aziende come Procter and Gamble, 3M ed Ecolab, così come la NASA, sono ansiose di sviluppare nuovi modi per controllare efficacemente i biofilm problematici, secondo Paul Sturman , che coordina il lavoro del centro con i suoi circa 30 partner industriali.
“Si tratta davvero di aiutarli a sviluppare prodotti utili”, ha affermato Sturman. “L’incontro è un ottimo modo per i nostri membri di tenersi informati sulle ultime ricerche sui biofilm. E possiamo mostrare il lavoro che stiamo facendo e siamo in grado di fare”.
Da quando è stato fondato più di 30 anni fa, il Center for Biofilm Engineering è stato un leader mondiale nello studio dei biofilm, sperimentando un approccio interdisciplinare che combina molteplici aree di ingegneria, microbiologia e altri campi per risolvere problemi del mondo reale. Questo è ciò che ha attratto Thornton nel progetto, ha detto.
“È gratificante avere questa opportunità di portare le mie competenze in ingegneria meccanica per aiutare i microbiologi a rispondere a una nuova generazione di domande”, ha affermato Thornton.
Zimlich è d’accordo. “Dobbiamo lavorare insieme”, ha detto. “Penso che questo sia uno dei posti migliori al mondo per esplorare queste domande”.
