Напечатанные на 3D-принтере микроклетки помогают изучать бактерии

Бактерии в организме человека процветают в трёхмерных структурах-сообществах, поэтому изучение патогенных микроорганизмов в такой среде может рассказать нам о том, как они взаимодействуют. Сейчас учёные занимаются как раз этим, в микроскопических напечатанных на -принтерах клетках.

Специалисты из Университета Техаса в Остине использовали технологию 3D-печати, что позволило им построить дома для бактерий на микроуровне. Упаковывая бактерии в эти крошечные дома, они смогли изучить, как они сотрудничают в процессе разработки инфекций, находясь в кишечнике и лёгких человека.


Исследователи использовали лазер и создали вокруг бактерий в желатине клетки из белка. Клетки могут иметь разнообразные формы и размеры, их можно перемещать к другим клеткам, содержащим другие сообщества бактерий.

В эксперименте было показано, как сообщества бактерий золотистого стафилококка, вызывающих кожные инфекции, повысили сопротивляемость к антибиотикам, когда находились в клетке с другим сообществом бактерий, участвующих в муковисцидозе. Исследователи говорят, что новый метод должен позволить в новых исследованиях лучше воссоздать условия человеческого организма, в котором процветают бактерии.

Желатин, в котором были заключены бактерии, является достаточно гибким. Будучи жидким раствором в тёплом состоянии, он также может стать твёрдым при комнатной температуре. Ещё он содержит светочувствительные молекулы, которые порождают реакцию между молекулами желатина при воздействии лазерного излучения.

После того, как исследователи решили, какие бактерии они хотят упаковать в клетки и в какой форме, они активировали лазер, формируя твёрдую матрицу. Джейсон Шир, профессор химии в Университете Остина: «Потом мы делаем ещё один слой, и ещё, и так далее, накладывая слои друг на друга. Мы словно делаем кадры и формируем из них 3D-структуры с невероятным уровнем контроля. Представьте себе толщину волос и разделите на 100, а потом возьмите четвёртую часть. Такова минимальная толщина нашего лазерного луча».

Как только клетки созданы, исследователи откармливают бактерии питательными веществ, чтобы вызвать их воспроизводство в специально отведенном месте. Затем можно брать другие сообщества и устанавливать их на близком расстоянии, чтобы они могли обмениваться сигналами. Кроме того, можно смыть желатин, остановить рост бактерий и сохранить их для транспортировки.

Профессор Шир говорит, что клеточные структуры не позволяют бактериям убежать, но «они достаточно пористые, чтобы их можно было разрушить химическим путём», что означает возможность обмена сигналами. Эта техника знаменует собой появление новых возможностей анализа роста бактерий. Например, такие бактерии как стафилококк и псевдомонас могут быть установлены в одном месте, чтобы узнать, как они взаимодействуют.

«Это распространённые бактерии, часто встречающиеся при инфекции вместе, и они вполне могут обладать механизмами взаимодействия между собой. Технология позволяет нам положить их поблизости друг с другом и проследить, что произойдёт. В данном случае стафилококк почувствовал присутствие псевдомонаса, и одним из результатов стала его возросшая устойчивость к антибиотикам».

Методика может быть использована для изучения путей распространения инфекции, например, в больницах, где отсутствие инфекций является ключевым фактором. Предыдущие исследования предполагают, что инфекции передаются крошечными колониями бактерий, которые попадают на оборудование и сотрудников и далее распространяются по всей больнице. Изучая, как бактериальные сообщества работают сообща, можно решить многие вопросы.

«Сейчас мы знаем недостаточно о том, как происходит процесс. Сколько требуется клеток? Становятся ли эти микросообщества особенно устойчивыми к антибиотикам из-за своих небольших размеров? Изменяют ли они затем свойства бактерий на коже или в организме? Теперь мы обладаем методом, чтобы начать получать ответы на подобные вопросы».