Ved hjælp af en innovativ enhed med mikroskopiske kamre, har forskere fra fire institutioner, herunder Johns Hopkins, udledes vigtige nye oplysninger om, hvordan bakterierne overleve i fjendtlige miljøer ved at danne antibiotikaresistente samfund kaldes biofilm.
Disse biofilm spiller en afgørende rolle i cystisk fibrose, urinvejsinfektioner og andre sygdomme, og forskerne sige deres resultater kan bidrage til udviklingen af nye behandlinger og forebyggende foranstaltninger.
"Der er en opfattelse af, at encellede organismer er asociale, men det er misforstået," sagde André Levchenko, assisterende professor i biomedicinsk teknik i The Johns Hopkins University Whiting School of Engineering og et affilieret selskab af universitetets Institut for nanobioteknologi. "Når bakterierne er under stress, som er historien om deres liv, de går sammen og danner denne kollektive kaldes en biofilm. Hvis man ser på naturligt forekommende biofilm, de har meget kompliceret arkitektur. De er som byer med kanaler for næringsstoffer til at gå ind og affald til at gå ud. "
Med en bedre forståelse af, hvordan og hvorfor bakterier danner biofilm, kan forskerne være i stand til at forstyrre aktivitet i den bakterielle samfund og blokere skadelige virkninger på deres menneskelige værter. Holdets resultater blev beskrevet i en artikel offentliggjort i november 2007-udgaven af tidsskriftet Public Library of Science Biology.
I artiklen, forskerne fra Johns Hopkins, rapporteret og Lunds Universitet i Sverige på observation af bakterierne E. coli vokser i de trange forhold i en ny mikrofluid enhed, Virginia Tech, University of California, San Diego. Den anordning, der tillader forskerne at bruge nanoskala mængder af celler i opløsning, indeholder en række af små kamre i forskellige former og størrelser, der holder bakterierne jævnt suspenderet i en kultur medium.
Levchenko og hans kolleger indspillede adfærd enkelt lag af celler ved hjælp af real-time mikroskopi. Beregningsmodeller valideret deres eksperimentelle resultater og kunne forudsige adfærd af andre bakteriearter under tilsvarende pres. "Vi var overraskede over at opdage, at celler vokser i afdelinger bestående af alle mulige former efterhånden organiseret sig i yderst regelmæssige strukturer," Levchenko sagt. "Den beregningsmæssige model hjælper med at forklare hvorfor dette skete, og hvordan den kan bruges af celler til at øge chancerne for overlevelse."
Den mikrofluid enhed, der blev designet og fremstillet i samarbejde med Alex Groisman laboratorium på UCSD, gør det muligt for cellerne til at flyde frit ind og ud af kamrene. Test mængder i kamrene var i nano-liters række, der tillader visualisering af enkelte E. coli celler. Ann Stevens 'laboratorium på Virginia Tech været med til at generere nye stammer af bakterier, der er tilladt visualisering af de enkelte celler dyrket i et enkelt lag.
Hojung Cho, en Johns Hopkins biomedicinsk teknik ph.d.-studerende fra Levchenko laboratorium og ledende forfatter af tidsskriftet artiklen, fanget på video den gradvise selvorganisering og eventuel opførelse af bakterielle biofilm over en 24-timers periode, ved hjælp af real-time mikroskopi teknikker. Forsøgene blev matchet til modellering analyse, udviklet i samarbejde med Cho er kolleger i Lund. Billederne blev analyseret ved hjælp af værktøjer udviklet med deltagelse af Bruno Jedynak af Johns Hopkins Center for Imaging Science.