Ο Trevor Franklin, ένας διδακτορικός φοιτητής στη Σχολή Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής Robert Frederick Smith του Cornell, ετοίμαζε μια μελέτη σχετικά με τις αντιρυπαντικές επιφάνειες όταν παρατήρησε κάτι περίεργο.

«Ασκούσα τεχνικές καλλιέργειας βακτηρίων σε διάφορες επιφάνειες υλικού, συμπεριλαμβανομένης της πολυβινυλοπυριδίνης», είπε ο Franklin, «και παρατήρησα ότι το Pseudomonas aeruginosa που αναπτύχθηκε σε πολυβινυλοπυριδίνη είχε διαφορετικό χρώμα από ό,τι σε οποιαδήποτε άλλη επιφάνεια».

Αυτή η ανακάλυψη οδήγησε σε μια νέα μελέτη που δείχνει ότι ορισμένα υλικά μπορούν να αλλάξουν τη βιοχημική συμπεριφορά των επιφανειακών μικροβίων που ζουν σε αυτά, και είναι η πρώτη που δείχνει ένα αδιάλυτο υλικό που ασκεί έλεγχο στις βιοχημικές συμπεριφορές των βακτηρίων.

Βακτηριακά βιοφίλμ – συλλογές βακτηρίων κύτταρα περικλείεται σε μια μήτρα βιομορίων—τείνει να αναπτύσσεται σε οποιαδήποτε υγρή επιφάνεια. Ως εκ τούτου, οι άνθρωποι ξοδεύουν πολύ χρόνο και ενέργεια προσπαθώντας να αφαιρέσουν ή να σκοτώσουν αυτές τις μεμβράνες από τα δόντια, το κύτος των πλοίων και τα ιατρικά εμφυτεύματα, μεταξύ πολλών άλλων επιφανειών. Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στην έντυπη έκδοση του περιοδικού στις 13 Δεκεμβρίου Βιομακρομόρια, ανοίγει την πόρτα σε νέα έρευνα για τις επιδράσεις των αδιάλυτων υλικών στη φυσιολογία του βιοφίλμ.

Ο Franklin και ο Rong Yang, επίκουρος καθηγητής χημικής και βιομοριακής μηχανικής και συν-συγγραφέας της μελέτης, σχεδίασαν πειράματα που έδειξαν ότι η πολυβινυλοπυριδίνη αύξησε την ποσότητα επιφανειακού σιδήρου που ήταν προσβάσιμη στα βακτήρια P. aeruginosa και, με αυτόν τον τρόπο, μείωσε την ικανότητα των βακτηρίων να προκαλούν νόσος. Οι ενώσεις που παράγει το P. aeruginosa για να καθαρίσει το σίδηρο είναι επίσης υπεύθυνες για το συνηθισμένο χρώμα του. Όταν το επιφανειακό υλικό πολυβινυλοπυριδίνη καθιστά τον σίδηρο άμεσα διαθέσιμο, αυτές οι ενώσεις δεν χρειάζονται και επομένως το συνηθισμένο χρώμα απουσιάζει.

Το βιοφίλμ που αποτελείται από P. aeruginosa που αναπτύχθηκε σε πολυβινυλοπυριδίνη ήταν διπλάσιο από αυτό που αναπτύχθηκε σε μη επικαλυμμένη πλάκα σύγκρισης, αλλά 68% λιγότερο μολυσματικό έναντι ενός συγκεκριμένου τύπου κυττάρου ανθρώπινου δέρματος. Καθώς μεγαλώνει ένα βιοφίλμ του P. aeruginosa, «σκουπίζει» τον σίδηρο από τη γύρω περιοχή και σε αυτή τη διαδικασία μπορεί να προκαλέσει τοξικότητα σε άλλα είδη της περιοχής. Δεδομένου ότι η επίστρωση της πολυβινυλοπυριδίνης παρείχε μια έτοιμη πηγή σιδήρου, το βιοφίλμ μπορούσε να αναπτυχθεί με ελάχιστη σάρωση σιδήρου και να προκαλέσει λιγότερη βλάβη.

Η Sijin Li, επίκουρη καθηγήτρια χημικής και βιομοριακής μηχανικής, εφάρμοσε την εμπειρία της στον κυτταρικό μεταβολισμό για να ρίξει φως στα αποτελέσματα που παρατηρήθηκαν. Περισσότερα από 4.000 ενδιάμεσα και τελικά προϊόντα του μεταβολισμού (μεταβολίτες) υπάρχουν στο P. aeruginosa. Οι δυναμικές αλλαγές στους μεταβολίτες που υπάρχουν αντανακλούν τις αλλαγές στη συμπεριφορά ενός βακτηρίου σε απόκριση περιβαλλοντικές αλλαγές, συμπεριλαμβανομένων αλλαγών που προκαλούνται από επιφανειακά υλικά.

Μπορεί να είναι δύσκολο να προσδιοριστεί γρήγορα και με ακρίβεια τόσο μεγάλος αριθμός μεταβολιτών. Ο Li χρησιμοποίησε μια μοναδική τεχνική—μη στοχευμένη μεταβολομική—για να επιτρέψει στους ερευνητές να πάρουν ένα στιγμιότυπο όλων των μεταβολιτών που παράγονται από το P. aeruginosa και να αναγνωρίσουν τις ενώσεις και τους πιθανούς μηχανισμούς που κρύβονται πίσω από τις αλλαγές συμπεριφοράς που προκαλούνται από το επιφανειακό υλικό.

«Τα μικρόβια είναι η πιο πολυπληθής, ποικιλόμορφη και πανταχού παρούσα μορφή ζωής στη Γη, επομένως είναι σημαντικό να καταλάβουμε πώς τα συνθετικά υλικά που φτιάχνουμε μπορούν να αλλάξουν τη μικροβιακή συμπεριφορά», είπε ο Yang. Η ικανότητα ελέγχου της ανάπτυξης και της συμπεριφοράς των βιοφίλμ απλώς με το χειρισμό των επιφανειακών συνθέσεων θα έδινε στους μηχανικούς ένα σημαντικό εργαλείο για να συμπληρώσουν τους υπάρχοντες γενετικά τροποποιημένους οργανισμούς, οι οποίοι συνδέονται με ανησυχίες σχετικά με την ανάπτυξή τους εκτός εργαστηρίου.

Η μελλοντική έρευνα του Yang θα διερευνήσει τη δυνατότητα να εκμεταλλευτεί τις αλληλεπιδράσεις υλικού-βιοφίλμ για να αξιοποιήσει βιομεμβράνες για χρήση στη βιοαποκατάσταση, τη βιοτεχνολογική παραγωγή καταναλωτικών αγαθών, ακόμη και την αυτοτροφοδότηση και την αυτοανανέωση των ζωντανών υλικών.