Un metodo di stampa 3D basato su goccioline in grado di personalizzare i genotipi batterici su scala micron

I RICERCATORI UTILIZZANO LA STAMPA 3D DI GOCCIOLINE PER OSSERVARE E MANIPOLARE MEGLIO I BATTERI

I ricercatori dell’Università di Oxford hanno sviluppato un metodo di stampa 3D basato su goccioline in grado di personalizzare i genotipi batterici su scala micron, che potrebbe guidare importanti cambiamenti nell’ecologia.

Utilizzando la stampa a gocce, i ricercatori sono stati in grado di stampare ceppi del batterio intestinale Escherichia coli, noto anche come E. coli, e alterarne la spaziatura per creare comunità personalizzate di batteri al fine di vedere come i ceppi reagiscono l’uno all’altro quando vengono posti lateralmente a fianco in schemi specifici.

Essere in grado di manipolare la disposizione di tali batteri su scala micron consente una maggiore osservazione e comprensione del suo comportamento e potrebbe persino essere “fondamentale per i risultati ecologici”, affermano i ricercatori.

Si ritiene che la posizione di diversi ceppi e specie di batteri nello spazio sia fondamentale per l’ecologia delle “comunità” batteriche e, a sua volta, per come ci influenzano. Si ritiene che anche il modo in cui i diversi ceppi di batteri sono disposti quando una comunità si sviluppa per la prima volta sia un predittore chiave di quali ceppi dominano e, più in generale, se quella comunità prospererà o perirà.

Quando i ceppi crescono a pezzi in zone distinte, ci si aspetta che questo limiti gli impatti dei meccanismi competitivi, essenzialmente dove diverse specie di batteri si combattono per il dominio e promuovono la coesistenza. Questa è ancora un’ipotesi, tuttavia, e fino ad ora ci sono state barriere alla verifica diretta di questa teoria.

Come sottolineano i ricercatori, è stata sviluppata una varietà di tecnologie di stampa 3D in grado di posizionare e modellare i microbi, tuttavia in genere questo lavoro si è concentrato maggiormente sulla produzione di biomateriali , come i sensori batterici . Il modo in cui i batteri crescono e interagiscono come comunità ha ricevuto meno attenzione, sebbene la stampa 3D abbia precedentemente facilitato la ricerca in questo campo.

Nel novembre 2020, i fisici della Leiden University hanno stampato in 3D strutture “microswimmer” su scala micron per aiutarli a studiare meglio i batteri dell’acqua , mentre altrove i ricercatori della Purdue University hanno sviluppato una capsula stampata in 3D in grado di campionare i batteri all’interno del tratto gastrointestinale degli esseri umani.

Per combattere le barriere alla disposizione delle strutture dei batteri su scala micrometrica, i ricercatori di Oxford hanno sviluppato una tecnica di stampa a goccioline ad alta risoluzione per consentire loro di posizionare i microbi interagenti in specifici modelli sub-millimetrici. Di conseguenza, sono stati in grado di manipolare e studiare l’ecologia delle comunità microbiche modificando le loro disposizioni su scale molto sottili.

Per dimostrare il loro metodo, i ricercatori hanno stampato bioink su misura contenenti cellule di E. coli in goccioline di 110 µm di diametro che sono state depositate in modelli mediante stampa riga per riga. Le goccioline erano inizialmente circondate da monostrati di fosfolipidi – una classe di lipidi contenente due acidi grassi, un gruppo fosfato e una molecola di glicerolo – per creare una struttura stabilizzata e priva di supporto.

La struttura risultante è stata quindi gelificata e i doppi strati lipidici sono stati rimossi aggiungendo olio per creare la comunità batterica finale stampata. All’interno della sua comunità stampata, il batterio E. coli è cresciuto da dispersioni monocellulari in microcolonie 3D. I ricercatori hanno stampato due ceppi di E. coli in diversi colori fluorescenti per dimostrare la loro capacità di stampare modelli specifici e variare la quantità di miscelazione genetica. In questo modo, i ricercatori sono stati in grado di osservare chiaramente come i due ceppi crescevano e interagivano tra loro a seconda della loro disposizione spaziale.

Alla fine dei loro esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che la variazione della struttura spaziale dei batteri su scala micrometrica ha avuto un impatto sull’esito dell’interferenza e della competizione tra i ceppi di E. Coli. Significativamente, hanno osservato che alterare la struttura del batterio su una scala così fine potrebbe spostare il risultato della competizione da un ceppo che domina un altro, e questo modello potrebbe essere la differenza tra un ceppo che prospera e la distruzione reciproca.

Una scoperta chiave dello studio ha confermato che la segregazione spaziale era spesso protettiva e limitava gli effetti di un ceppo sull’altro. In futuro, i ricercatori cercheranno di esplorare ulteriormente i fattori che forniscono “ rifugio ” a un ceppo batterico da un altro, come il periodo di tempo in cui i ceppi crescono insieme, il turnover dei nutrienti per il batterio e le frequenze iniziali dei ceppi.

Per ora, credono che il loro lavoro possa avere una grande importanza in molte specie e interazioni ecologiche e che abbia un potenziale significativo sia per la comprensione che per il controllo delle comunità microbiche.

Ulteriori informazioni sullo studio possono essere trovate nel documento intitolato “La stampa di goccioline rivela l’importanza della struttura su scala micron per l’ecologia batterica” , pubblicato sulla rivista Nature. L’articolo è co-autore di R. Kumar, T.Meiller-Legrand, A. Alcinesio, D. Gonzalez, D.Mavridou, O. Meacock, W. Smith, L. Zhou, W. Kim, G. Pulcu, H Bayley e K. Foster.

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