研究人员使用光学阱控制生物膜的形成是怎么回事？

研究人员报告说，基于激光的光阱可用于控制生物膜的形成。他们发现，使用不同波长的激光可以用来刺激和抑制生物膜的生长。

生物膜 - 当细菌粘在表面上时形成的粘稠层 - 使细菌能够保护自己免受极端环境的影响，甚至逃避抗生素。在一项新的研究中，研究人员表明，光学陷阱形式的激光可用于控制生物膜的形成。这些发现可能使科学家能够利用这些微生物层进行各种生物工程应用。

“生产微观组件通常需要高度技术化的制造过程，但我们发现光学镊子可用于精确控制单个细菌或细菌簇的位置，”加州州立大学北岭分校的研究团队负责人Anna Bezryadina说。“这使我们能够在微观水平上以高精度影响细菌结构的生长模式。

在《生物医学光学快报》杂志上，研究人员报告了他们使用光学陷阱来调节细菌聚集和生物膜发育的实验。他们发现不同类型的激光可用于刺激和抑制生物膜的生长。

“我们甚至可以创造一种细菌乐高积木，可以四处移动，粘在一起并根据需要销毁，”Bezryadina说。“例如，这项工作可能会导致新型可生物降解材料或新一代基于生物膜的生物传感器。

大多数生物膜研究都集中在抑制和控制生物膜的机械、化学和生物学方法上。尽管科学家们已经证明，合成和化学方法可用于激活和控制生物膜，并将生物膜设计成特定的空间结构，但Bezryadina和她的团队想知道光学方法是否可以用于控制生物膜动力学。要实现这一目标，需要一支在先进光学技术和微生物学方面具有专业知识的跨学科团队。

研究人员对枯草芽孢杆菌进行了实验，枯草芽孢杆菌是一种自然形成生物膜的非致病性细菌。他们使用对枯草芽孢杆菌不利的低营养环境来促使细菌形成生物膜。在获得小的生物膜簇后，他们使用473 nm蓝色激光器或近红外Ti：sapphire激光器进行了光学捕获实验，该激光器可以在700至1000 nm范围内调谐。

他们发现，使用波长为820 nm至830 nm的激光发射可以延长生物膜簇的光学捕获时间，同时最大限度地减少显着的光损伤。然而，使用473nm的激光 - 细菌高度吸收的波长 - 导致细胞破裂和生物膜簇解体。他们还观察到，用于光学操作的理想细菌簇由3到15个细胞组成。

当研究人员使用820nm波长的光镊研究细菌动力学和生物膜形成一小时时，他们发现细菌簇聚集在光学捕获的簇附近，粘附在表面并开始形成微菌落。它们还可以将整个样品中被光学捕获的细菌簇移动到特定位置，这对于从细菌中构建结构很有用。近红外激光似乎没有破坏暴露于高度聚焦近红外激光的细菌簇的生物膜形成，这意味着 800 nm 至 850 nm 范围内的 NIR 波长可以长时间用于细菌簇的光学捕获、操纵和图案形成。

“尽管自然界中明显不受控制的细菌生物膜形成，但我们的研究表明，细菌生物膜的形成可以受到光的影响，”Bezryadina说。“这篇论文代表了从细菌等现成资源中创造微观建筑材料的长期项目的第一步。在未来的研究中，我们计划利用我们的发现来开发一种从细菌乐高积木中构建结构的过程。

总体而言，这些实验揭示了操纵生物膜所需的确切生长条件、团簇大小和波长具有一定的灵活性。研究人员说，也有可能将他们的方法用于其他类型的生物膜形成微生物。