Pesquisadores revelam tecnologia de impressão 3D que pode avançar na ciência do biofilme

Kathryn Zimlich, estudante de doutorado e Isaak Thornton

PHYS, 15/07/2022 

Por Marshalll Swearingen 

Combater infecções bacterianas com risco de vida, reduzir o lodo que obstrui os canos, evitar o acúmulo de placa nos dentes – todos poderiam um dia se beneficiar de uma nova tecnologia que está sendo desenvolvida por pesquisadores da Montana tate University.

Quando bactérias e outros micróbios aderem às superfícies e criam tapetes viscosos – chamados biofilmes – eles formam comunidades complexas que geralmente são resistentes aos desinfetantes tradicionais. Agora, cientistas do Centro de Engenharia de Biofilme da MSU estão desenvolvendo uma ferramenta para replicar os mosaicos microbianos para que tratamentos inovadores possam ser estudados.

"Estamos empolgados em compartilhar os primeiros vislumbres dessa tecnologia", disse Isaak Thornton, que está obtendo seu doutorado em engenharia mecânica. Thornton, juntamente com a estudante de doutorado em microbiologia Kathryn Zimlich, apresentará seu trabalho durante o Montana Biofilm Meeting em Bozeman, de 12 a 14 de julho, que reúne pesquisadores e parceiros da indústria de todo o mundo para discutir a mais recente ciência do biofilme.

Nos últimos dois anos, Zimlich e Thornton projetaram e testaram um dispositivo de impressão 3D que pode apresentar com precisão uma grade de bactérias individuais em hidrogel – uma substância transparente semelhante à gelatina. Aproveitando os avanços na impressão 3D, os pesquisadores podem mapear os micróbios dentro de gotas de resina de hidrogel líquida e, em seguida, usar luz laser para solidificar o material, construindo um biofilme rudimentar.

"Podemos organizar espacialmente e encapsular células exatamente onde queremos", disse Thornton, que está conduzindo a pesquisa no laboratório de Jim Wilking, professor associado do Departamento de Engenharia Química e Biológica da Faculdade de Engenharia Norm Asbjornson da MSU.

Até agora, Zimlich e Thornton usaram apenas uma única espécie de bactéria, mas usando a impressora 3D para fazer várias vias, cada uma com uma espécie ou cepa de bactéria diferente, eles poderiam começar a criar os biofilmes mais complexos e em camadas encontrados na natureza. Ao adicionar corante fluorescente às bactérias, os pesquisadores podem ver facilmente os micróbios usando microscópios especializados, permitindo estudar as interações que acontecem entre as células.

"Mesmo os sistemas de biofilme mais simples são complicados", disse Zimlich. "É como uma floresta onde há muita diversidade. Precisávamos de novas ferramentas para ver como essa diversidade se desenvolve e é mantida."

Sabe-se que o ambiente dinâmico dentro de um biofilme pode contribuir para tornar os micróbios resistentes aos tratamentos tradicionais. O professor da MSU Regents e pesquisador de biofilme de longa data, Phil Stewart, mostrou que uma bactéria que comumente causa infecções perigosas em feridas resiste aos antibióticos porque as células no nível mais baixo do biofilme são cortadas do oxigênio e de outros compostos, fazendo com que fiquem dormentes e, assim, alterando sua biologia suficiente para que a droga se torne ineficaz.

“Uma coisa que está ficando mais clara é que existe potencial para tratar essas bactérias patogênicas alterando o ambiente interativo do biofilme em vez de tentar usar produtos químicos agressivos”, disse Zimlich, cujo consultor de pesquisa é Matthew Fields, diretor do Centro de Engenharia de Biofilme. Por exemplo, os tratamentos podem envolver a introdução de bactérias inofensivas que competem com os micróbios nocivos e rompem o biofilme protetor.

O desenvolvimento desses tratamentos exigirá muitos testes em um ambiente de laboratório controlado, que é onde entra a nova ferramenta de impressão 3D. "Achamos que é possível construir análogos de como esses biofilmes patogênicos se formam naturalmente", disse Zimlich.

Isso é potencialmente de grande interesse para os participantes da reunião de biofilme. Empresas como Proctor and Gamble, 3M e Ecolab, assim como a NASA, estão ansiosas para desenvolver novas maneiras de controlar efetivamente os biofilmes problemáticos, de acordo com Paul Sturman, que coordena o trabalho do centro com seus cerca de 30 parceiros industriais.

"Trata-se realmente de ajudá-los a desenvolver produtos que sejam úteis", disse Sturman. "A reunião é uma ótima maneira de nossos membros se manterem informados sobre as últimas pesquisas sobre biofilmes. E podemos mostrar o trabalho que estamos fazendo e somos capazes de fazer."

Desde que foi fundado há mais de 30 anos, o Centro de Engenharia de Biofilmes é líder mundial no estudo de biofilmes, sendo pioneiro em uma abordagem interdisciplinar que combina várias áreas de engenharia, microbiologia e outros campos para resolver problemas do mundo real. Foi isso que atraiu Thornton ao projeto, disse ele.

"É gratificante ter esta oportunidade de trazer minhas habilidades em engenharia mecânica para ajudar os microbiologistas a responder a uma nova geração de perguntas", disse Thornton.

Zimlich concorda. "Temos que trabalhar juntos", disse ela. "Acho que este é um dos melhores lugares do mundo para explorar essas questões."

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Fonte:https://phys.org/news/2022-07-unveil-3d-technology-advance-biofilm.html