Colonie galleggianti: architetture microbiche 3D in colture liquide

Gli scienziati hanno svelato la prima piattaforma al mondo per l'ingegneria di architetture microbiche tridimensionali (3D) direttamente all'interno di colture liquide, segnando un importante passo avanti nella microbiologia. , l'innovazione consente la creazione e il mantenimento di strutture microbiche complesse senza fare affidamento su matrici solide come idrogel o agar. Il sistema, denominato floatony, è stato dettagliato in una recente pubblicazione in Biofabrication. In natura, i microbi come quelli trovati nell'intestino, nei polmoni e nei biofilm non esistono come popolazioni uniformemente distribuite. Invece, formano strati e cluster 3D che influenzano lo scambio di nutrienti, la trasmissione del segnale e la disponibilità di ossigeno.

Queste configurazioni spaziali svolgono un ruolo fondamentale nel modellare il comportamento microbico, le interazioni tra specie e le risposte fisiologiche. Tuttavia, la replicazione di tali strutture in laboratorio è stata una sfida a causa delle limitazioni delle tecniche di coltura convenzionali. I metodi tradizionali mischiano i microbi uniformemente in liquido o li confinano a superfici piane, non riuscendo a imitare la complessità degli ambienti del mondo reale.

Mentre questi metodi possono preservare la forma delle colonie microbiche, spesso limitano il movimento delle cellule, ostacolano la diffusione molecolare e non riescono a replicare le condizioni dinamiche e fluide degli habitat microbici naturali. Per superare questi vincoli, il team di Tanaka ha ideato un nuovo metodo che prevede una soluzione specializzata di tela che consente alle strutture microbiche di rimanere sospese nel liquido senza stabilirsi o disperdersi. La tecnica prevede l'iniezione di una sospensione di batteri vivi, denominata inchiostro batterico, nella soluzione di tela utilizzando un braccio robotico.

Adattando con precisione le proprietà fisiche della tela, i ricercatori hanno assicurato che le strutture microbiche iniettate rimanessero stabili pur mantenendo la fluidità intrinseca del mezzo di coltura. Studi reologici hanno contribuito a stabilire parametri ottimali per bilanciare l'integrità strutturale con la libera circolazione di molecole e cellule. Come caso di test, il team ha utilizzato Escherichia coli per dimostrare che i batteri incorporati nei floatoni rimanevano vitali e metabolicamente attivi.

Secondo Tanaka, questo metodo offre un vantaggio significativo rispetto alle piattaforme esistenti perché preserva la dinamica naturale delle comunità microbiche, consentendo una modellazione più accurata della loro organizzazione spaziale. Le potenziali applicazioni delle flotonie si estendono oltre la ricerca di base. Potrebbero fornire preziose informazioni su come le disposizioni spaziali influenzano il comportamento microbico, offrendo nuovi strumenti per lo studio dei meccanismi delle malattie, dei processi ambientali e della biotecnologia industriale. La capacità di progettare strutture microbiche in liquido apre possibilità per lo sviluppo di probiotici più efficaci, il miglioramento del trattamento delle acque reflue e il progresso della biologia sintetica.

Con un ulteriore perfezionamento, la tecnologia potrebbe consentire agli scienziati di esplorare gli ecosistemi microbici in condizioni che rispecchiano più da vicino le loro impostazioni naturali. I ricercatori prevedono che le floatonie serviranno come piattaforma versatile per indagare le relazioni complesse all'interno delle comunità microbiche e per progettare sistemi microbici personalizzati su misura per specifiche funzioni biologiche o industriali.