Les biofilms – des couches visqueuses formées lorsque les bactéries se collent les unes aux autres sur une surface – permettent aux bactéries de se protéger des environnements extrêmes et même d’échapper aux antibiotiques. Dans une nouvelle étude, des chercheurs ont montré que la lumière laser sous forme de pièges optiques peut être utilisée pour contrôler la formation de biofilm. Les résultats pourraient permettre aux scientifiques d'exploiter ces couches microbiennes pour diverses applications de bio-ingénierie.
"La production de composants microscopiques nécessite généralement un processus de fabrication hautement technique, mais nous avons découvert que des pinces optiques peuvent être utilisées pour contrôler avec précision la position de bactéries individuelles ou de groupes de bactéries", a déclaré Anna Bezryadina, chef d'équipe de recherche de la California State University Northridge. "Cela nous permet d'influencer les modèles de croissance des structures bactériennes à un niveau microscopique avec une grande précision."
Dans la revue Biomedical Optics Express , les chercheurs rapportent leurs expériences d'utilisation de pièges optiques pour réguler l'agrégation bactérienne et le développement de biofilms. Ils ont découvert que différents types de lasers peuvent être utilisés pour stimuler et supprimer la croissance du biofilm.
"Nous pouvons même créer une sorte de bloc Lego bactérien qui peut être déplacé, collé et détruit selon les besoins", a déclaré Bezryadina. "Ces travaux pourraient conduire à de nouveaux types de matériaux biodégradables ou à une nouvelle génération de biocapteurs à base de biofilm, par exemple."
La plupart des recherches sur les biofilms se sont concentrées sur des approches mécaniques, chimiques et biologiques pour supprimer et contrôler les biofilms. Bien que les scientifiques aient montré que des approches synthétiques et chimiques peuvent être utilisées pour activer et contrôler les biofilms et les transformer en structures spatiales spécifiques, Bezryadina et son équipe voulaient savoir si des méthodes optiques pouvaient être utilisées pour contrôler la dynamique des biofilms. Pour y parvenir, il fallait une équipe interdisciplinaire possédant une expertise en technologie optique avancée et en microbiologie.
Les chercheurs ont expérimenté Bacillus subtilis, une bactérie non pathogène qui forme naturellement des biofilms. Ils ont utilisé un environnement pauvre en nutriments et hostile à B. subtilis pour inciter la bactérie à former un biofilm. Après avoir obtenu de petits amas de biofilms, ils ont mené des expériences de piégeage optique en utilisant soit un laser bleu de 473 nm, soit un laser Ti:saphir proche infrarouge pouvant être réglé de 700 à 1 000 nm.
Ils ont découvert que l’utilisation d’un laser émettant à une longueur d’onde de 820 nm à 830 nm permettait un piégeage optique prolongé des amas de biofilms tout en minimisant les photodommages importants. Cependant, l’utilisation d’un laser à 473 nm – une longueur d’onde fortement absorbée par les bactéries – a provoqué la rupture des cellules et la désintégration des amas de biofilms. Ils ont également observé que les groupes bactériens idéaux pour la manipulation optique étaient constitués de trois à 15 cellules.
Lorsque les chercheurs ont étudié la dynamique des bactéries et la formation de biofilms à l’aide de pinces optiques à une longueur d’onde de 820 nm pendant une heure, ils ont découvert que des amas bactériens se regroupaient à proximité d’amas piégés optiquement, adhéraient à la surface et commençaient à former une microcolonie. Ils pourraient également déplacer des groupes bactériens optiquement piégés dans l’échantillon vers une position spécifique, ce qui pourrait être utile pour construire des structures à partir de bactéries. Le laser NIR ne semble pas perturber la formation de biofilm pour les amas bactériens exposés au laser NIR hautement focalisé, ce qui implique que les longueurs d'onde NIR comprises entre 800 nm et 850 nm pourraient être utilisées pendant des périodes prolongées pour le piégeage optique, la manipulation et la formation de motifs. de clusters bactériens.
"Malgré la formation apparemment incontrôlée de biofilm bactérien dans la nature, nos travaux ont montré que la formation de biofilm bactérien peut être influencée par la lumière", a déclaré Bezryadina. "Cet article représente la première étape d'un projet à long terme visant à créer des matériaux de construction microscopiques à partir de ressources facilement disponibles telles que des bactéries. Dans des études futures, nous prévoyons d'utiliser ce que nous avons découvert pour développer un processus permettant de construire des structures à partir de blocs Lego bactériens."
Dans l’ensemble, les expériences ont révélé une certaine flexibilité dans les conditions exactes de croissance, la taille des grappes et les longueurs d’onde nécessaires à la manipulation des biofilms. Les chercheurs affirment qu'il pourrait également être possible d'utiliser leur méthodologie avec d'autres types de micro-organismes formant un biofilm.
Plus d'informations : Czarlyn Camba et al, Formation et manipulation de biofilms avec des pincettes optiques, Biomedical Optics Express (2024). DOI :10.1364/BOE.510836
Informations sur le journal : Optique biomédicale Express
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