Using a laser to activate cross-lin

Using a laser to activate cross-linking in a gelatin mold containing randomly scattered bacterial cells, researchers can “trap” the microbes in designated areas, dictating the 3-dimensional structure of the populations. The study, published today (October 7) in Proceedings of the National Academy of Sciences, could allow biologists to study the role of population architecture in cellular communication, while still allowing the flow of chemical messages.

“In microbial populations, there’s cooperation and there’s cheating and there’s competition, and so understanding how these very complicated things actually function is not something you can just do in a petri dish or a bulk broth,” said bioengineer Bryan Kaehr of Sandia National Laboratories in Albuquerque, NM. “In order for us to ever really understand cell communication in a meaningful way, you really have to organize populations like this—at this scale, the scale of cells.”

The work comes from Kaehr’s graduate advisor, chemist and bioengineer Jason Shear at the University of Texas at Austin, who has been working in 3-D fabrication using biological materials for about 10 years. Shear and his colleagues had previously used the cross-linking technique—which uses a laser to activate a photosensitizer that promotes bond formation between the molecules of the mold—to build molecular “houses” of bovine serum albumin (BSA), into which they seeded bacteria that could swim into the various “rooms.” The researchers could then warm the houses to 37°C, causing the “doors” of the house to swell shut, keeping the bacteria in place.

“Although [the house is] physically restrictive, it’s chemically permissive,” said Shear. “These walls will transmit important biological signals, like quorum-sensing signals and antibiotics.”

But such a procedure is obviously limited to motile species of bacteria, and it left a lot to chance in terms of which bacteria ended up in which rooms of the house. Now, the researchers have tackled these problems by 3-D printing the molecular houses around the bacterial cells that are already embedded in a gelatin mold. The researchers simply cultured bacteria in liquid gelatin and then allowed the mixture to cool and solidify. “It’s basically Jell-O with things suspended in it,” said Shear. Then, based on where the bacteria settled during this process, the team designed a molecular house to segregate the bacteria as they wanted and subjected the gel to the cross-linking action of the 3-D-printing laser.

“This is the beauty of the technique—that it allows you to create any 3-D structure,” said engineer Aleksandr Ovsianikov of the Vienna University of Technology in Austria, who last month used a similar approach to grow human osteosarcoma cells in a 3-D mold, but was not involved in the present study. “So you have total freedom [of design].”

In a proof-of-concept experiment, the researchers examined the role of population structure in bacteria’s ability to resist an antibiotic. The team used the technology to nest a population of Staphylococcus aureus, a bacterium that is normally susceptible to β-lactam antibiotics, within a surrounding population of Pseudomonas aeruginosa, which produces an enzyme that defends against β-lactam antibiotics. The two bacteria are often found together in the human body—in chronic wounds, for example, or the lungs of patients with cystic fibrosis—and the researchers wanted to ask: “Could one bacterium actually protect the other?” said microbiologist Marvin Whiteley, a UT-Austin collaborator of Shear’s and an author on the paper. “We were able to show that you definitely could in regard to antibiotic sensitivity,” he said. And notably, it took just a few P. aeruginosa per picoliter to protect the inner S. aureus population from ampicillin, a β-lactam antibiotic.

Whiteley was excited by the results, but even more so by the technique, which he said could bring some much-needed quantitative measurements to microbiology. “Analytic chemistry is a great thing, and microbiology needs to use it more.”

Kaehr added that the technology could have applications in other areas. “Their work here focuses on microbial communities and bacteria, but this is really a problem in just understanding multicellularity,” he said. “This is a technique [that] will hopefully reveal new biology that you otherwise couldn’t understand.”

Furthermore, Ovsianikov noted, the system can be adapted to do more than simply trap cells within a structured environment. The same laser setup can be used to immobilize molecules at precise locations within the environment, to provide adhesion sites, or to carve out channels in the gel, rather than build walls. “This is a tool which potentially allows you to cross-link your gel, dress up your gel with biomolecules, or create channels in the same way,” said Ovsianikov. “This is a tool which is much more than 3-D printing.”

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

การใช้เลเซอร์เพื่อเรียกใช้ cross-linking ในโมลด์ตุ๋น ประกอบด้วยสุ่มกระจายเซลล์แบคทีเรีย นักวิจัยสามารถ "ดัก" จุลินทรีย์ในพื้นที่ที่กำหนด การบอกโครงสร้าง 3 มิติของประชากรที่ การศึกษา ประกาศวันนี้ (7 ตุลาคม) ในวิชาการสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติ ให้ biologists เพื่อศึกษาบทบาทของประชากรสถาปัตยกรรมสื่อสารโทรศัพท์มือถือ ในขณะที่ยัง ช่วยให้การไหลของข้อความทางเคมีได้"ในกลุ่มประชากรจุลินทรีย์ มีความร่วมมือ และไม่โกง และมีของการแข่งขัน และเพื่อ ทำความเข้าใจว่าสิ่งเหล่านี้ซับซ้อนมากจริง ฟังก์ชันไม่ใช่สิ่งที่คุณสามารถทำในจานเพาะเชื้อหรือซุปเป็นจำนวนมาก, " กล่าวว่า bioengineer Bryan Kaehr ของห้องปฏิบัติการแห่งชาติชาติซานเดียในอัลเบอร์เคอร์กี NM "เพื่อให้เราเข้าใจสื่อสารของเซลล์ในลักษณะมีความหมายจริง ๆ เคย จริง ๆ คุณต้องจัดระเบียบประชากรเช่นนี้ — ที่นี้มาตราส่วน มาตราส่วนของเซลล์"ทำมาจาก Kaehr เป็นประธานกรรมการบัณฑิตวิทยาลัย นักเคมี และ bioengineer เฉือน Jason ที่มหาวิทยาลัยเทกซัสที่ Austin ที่ได้ทำงานใน 3 มิติประดิษฐ์ใช้วัสดุชีวภาพประมาณ 10 ปี แรงเฉือนและเพื่อนร่วมงานของเขาได้เคยใช้เทคนิค cross-linking — ซึ่งใช้เลเซอร์เพื่อเรียกใช้ photosensitizer ที่ส่งเสริมก่อพันธะระหว่างโมเลกุลของแม่พิมพ์ ซึ่งสร้างโมเลกุล "บ้าน" ของวัว serum albumin (บีเอสเอ), ซึ่งพวกเขา seeded แบคทีเรียที่สามารถว่ายน้ำเข้าไปในต่าง ๆ "ห้อง" นักวิจัยได้แล้วอุ่นบ้านถึง 37° C ก่อให้เกิด "ประตู" ของบ้านอูม ปิด ทำให้แบคทีเรียที่ใน"แม้ว่า [บ้านเป็น] จริงจำกัด เป็นสารเคมี permissive, " กล่าวว่า แรงเฉือน "กำแพงเหล่านี้จะส่งสำคัญสัญญาณชีวภาพ สัญญาณไร้สายควอรัมและยาปฏิชีวนะ"แต่กระบวนการดังกล่าวเป็นชัดจำกัด motile พันธุ์แบคทีเรีย และมันเหลือมากไปโอกาสในซึ่งแบคทีเรียสิ้นสุดที่ห้องของบ้าน ตอนนี้ นักวิจัยมีสำหรับปัญหาเหล่านี้ โดยพิมพ์บ้านโมเลกุลรอบเซลล์แบคทีเรียที่ฝังอยู่ในแม่พิมพ์ตุ๋นแล้ว 3-D นักวิจัยเพียงอ่างในตุ๋นเหลว แล้วผสมเย็น และเข้าที่ได้รับอนุญาตแล้ว "มันเป็นพื้น Jell-O กับสิ่งชั่วคราวใน กล่าวว่า แรงเฉือน แล้ว ตามที่แบคทีเรียที่จับคู่ระหว่างนี้ ทีมงานออกแบบบ้านโมเลกุล segregate แบคทีเรียพวกเขาต้องการ และต้องเจดำเนินการ cross-linking ของเลเซอร์ 15.00-D-พิมพ์"นี่คือความงามเทคนิค — ที่จะช่วยให้คุณสร้างโครงสร้าง 3 มิติใด ๆ, " กล่าวว่า วิศวกร Aleksandr Ovsianikov มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีของเวียนนาในประเทศออสเตรีย ที่เดือนใช้วิธีคล้ายกันเติบโตเซลล์มนุษย์ osteosarcoma ในแม่พิมพ์ 3 มิติ แต่ไม่เกี่ยวข้องกับการศึกษาปัจจุบัน "ให้คุณได้รวมเสรีภาพ [ออกแบบ]"ในการพิสูจน์ของแนวคิดทดลอง นักวิจัยตรวจสอบบทบาทของโครงสร้างประชากรในของแบคทีเรียสามารถต้านทานยาปฏิชีวนะเป็น ทีมงานใช้เทคโนโลยีไปประชากร Staphylococcus หมอเทศข้างลาย แบคทีเรียที่ไวต่อปกติให้ยาβ-lactam ภายในประชากรโดยรอบของ Pseudomonas aeruginosa ที่ผลิตเอนไซม์ที่ปกป้องกับยาβ-lactam แบคทีเรียสองมักพบร่วมกันในร่างกายมนุษย์ซึ่งในแผลเรื้อรัง เช่น หรือปอดของผู้ป่วยที่มีไฟโบรซิ — และนักวิจัยที่ต้องการถาม: "สามารถแบคทีเรียหนึ่งจริงป้องกันอื่น ๆ " กล่าวว่า microbiologist Marvin Whiteley, collaborator Austin UT ของของแรงเฉือน และผู้เขียนบนกระดาษ "เราไม่สามารถแสดงว่า คุณแน่นอนได้เรื่องความไวต่อยาปฏิชีวนะ เขากล่าวว่า และยวด ใช้ aeruginosa P. กี่ต่อ picoliter ประชากรหมอเทศข้างลาย S. ภายในป้องกันแอมพิซิลลิน ยาปฏิชีวนะเป็นβ-lactamตื่นเต้น Whiteley ผลลัพธ์ แต่ให้มากยิ่งขึ้นโดยเทคนิค ซึ่งเขากล่าวว่า สามารถนำบางต้องเชิงปริมาณประเมินการจุลชีววิทยา "เคมีที่สำคัญคือเป็นสิ่งดี และจุลชีววิทยาที่ต้องใช้เพิ่มเติม"Kaehr เพิ่มว่า เทคโนโลยีมีใช้งานในพื้นที่อื่น ๆ "ทำงานที่นี่เน้นชุมชนจุลินทรีย์และแบคทีเรีย แต่นี้เป็นเพียงความเข้าใจ multicellularity ปัญหา"เขากล่าวว่า "นี่คือเทคนิค [ที่] หวังว่าจะเปิดเผยชีววิทยาใหม่ที่คุณมิฉะนั้นจะไม่เข้าใจ"นอกจากนี้ Ovsianikov ไว้ ระบบสามารถปรับให้ทำมากกว่าเพียงแค่ดักเซลล์ภายในสภาพแวดล้อมที่มีโครงสร้าง สามารถใช้การตั้งค่าเลเซอร์การ immobilize โมเลกุลในตำแหน่งแม่นยำภายในสิ่งแวดล้อม ให้อเมริกายึดเกาะ หรือการแกะสลักออกช่องเจ แทนที่สร้างกำแพง "นี่คือเครื่องมือซึ่งอาจช่วยให้คุณ การ cross-link ของเจล แต่งเจของคุณมีชื่อโมเลกุลชีวภาพ สร้างช่องเดียว กล่าวว่า Ovsianikov "นี่คือเครื่องมือที่เป็นมากกว่าการพิมพ์ 3 มิติ"

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

การใช้เลเซอร์เพื่อเปิดการเชื่อมโยงในแม่พิมพ์เจลาตินผสมแบบสุ่มกระจายเซลล์แบคทีเรีย นักวิจัยสามารถ " กับดัก " จุลินทรีย์ ในเขตพื้นที่ และโครงสร้าง 3 มิติของประชากร การศึกษาที่เผยแพร่ในวันนี้ ( 7 ตุลาคม ) ในการดำเนินการของ National Academy of Sciences ,สามารถช่วยให้นักชีววิทยาศึกษาบทบาทของสถาปัตยกรรมของประชากรในการสื่อสารมือถือ , ในขณะที่ยังช่วยให้การไหลของข้อความเคมี

" ในประชากรจุลินทรีย์ มีความร่วมมือ และมีการโกงและมีการแข่งขัน และเพื่อให้เข้าใจวิธีนี้ซับซ้อนมากสิ่งงานจริงไม่ได้เป็นสิ่งที่คุณสามารถทำในจานเลี้ยงเชื้อ หรือ ซุปขนาดใหญ่" บอกว่า bioengineer ไบรอัน kaehr ของศูนย์บริการประกันคุณภาพอาหารใน Albuquerque , NM . " เพื่อให้เราได้เข้าใจการสื่อสารของเซลล์ในทางความหมาย คุณต้องจัดระเบียบประชากรแบบนี้ขนาดนี้ ขนาดของเซลล์ "

งานมาจาก kaehr ศึกษาและที่ปรึกษา นักเคมี bioengineer เจสันเฉือนที่มหาวิทยาลัยเท็กซัสที่ออสตินคนที่ทำงานในการใช้ชีววัสดุ 3 มิติ ประมาณ 10 ปี แรงเฉือนและเพื่อนร่วมงานของเขาที่เคยใช้เทคนิคโมเลกุลซึ่งใช้เลเซอร์ในการเปิดใช้งานที่ส่งเสริมการพัฒนา photosensitizer พันธะระหว่างโมเลกุลของแม่พิมพ์เพื่อสร้างโมเลกุล " บ้าน " ของอัลบูมิน ( BSA )ซึ่งเป็นแบคทีเรียที่สามารถว่ายน้ำในพวกเขาลุยห้องต่างๆ " " นักวิจัยก็อุ่นเรือน 37 ° C , ก่อให้เกิด " ประตู " ของบ้านอูมปิดการเก็บรักษาแบคทีเรียในสถานที่

" ถึงแม้ว่า [ บ้าน ] ทางกายภาพทางเคมี จำกัด เป็นแบบ " กล่าวว่า ตัด " กำแพงนี้จะส่งสัญญาณทางชีวภาพที่สำคัญเหมือนสัญญาณและยาปฏิชีวนะการตรวจจับองค์ประชุม "

แต่วิธีการเช่นนี้จะเห็นได้ชัด จำกัด เพื่อเคลื่อนที่ ชนิดของแบคทีเรีย และมันก็เหลือเยอะ โอกาส ในแง่ของแบคทีเรียจบลงที่ห้องของบ้าน ขณะนี้ นักวิจัยได้แก้ไขปัญหาเหล่านี้โดยการพิมพ์ 3 มิติของบ้านรอบเซลล์แบคทีเรียที่ฝังตัวอยู่แล้วในเจลาติน แม่พิมพ์นักวิจัยเพียงเพาะเลี้ยงแบคทีเรียในเจลาตินเหลวแล้วอนุญาตให้ส่วนผสมเย็นและแข็ง . " มันคือเยลลี่กับสิ่งแขวนลอยในมัน " ตัด จากนั้นขึ้นอยู่กับที่แบคทีเรียตัดสินในระหว่างกระบวนการนี้ ทีมงานออกแบบบ้านระดับโมเลกุลเพื่อแยกแบคทีเรียที่พวกเขาต้องการและภายใต้เจลไปเมื่อการกระทำของ 3-d-printing เลเซอร์

" นี่คือความงามของเทคนิคที่ช่วยให้คุณสามารถสร้างโครงสร้าง 3 มิติ กล่าวว่า วิศวกรของอเล็กซานเดอร์ ovsianikov เทคโนโลยีมหาวิทยาลัยเวียนนาของออสเตรีย ที่เมื่อเดือนที่แล้ว ใช้วิธีการคล้ายกับ Osteosarcoma เติบโตของมนุษย์เซลล์ในแม่พิมพ์ 3 มิติ แต่ก็ไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษาปัจจุบัน " เพื่อให้คุณมีทั้งหมดของการออกแบบ [ เสรีภาพ ] "

ในการพิสูจน์แนวคิดการทดลองนักวิจัยได้ศึกษาบทบาทของโครงสร้างประชากรของแบคทีเรียสามารถต้านทานยาปฏิชีวนะเป็น ทีมที่ใช้เทคโนโลยีรัง ประชากรของ Staphylococcus aureus , แบคทีเรียที่เป็นปกติ เสี่ยงต่อการบีตา - ชุดขนสัตว์ภายในรอบประชากรของ Pseudomonas aeruginosa ซึ่งผลิตเอนไซม์บีตา - ปกป้องต่อต้านชุดขนสัตว์ .2 แบคทีเรียมักพบร่วมกันในร่างกายมนุษย์ในแผลเรื้อรัง ตัวอย่างเช่น หรือปอดของผู้ป่วย cystic fibrosis และนักวิจัยต้องการถาม : " หนึ่งอาจแบคทีเรียจริงป้องกันอื่น ๆ " บอกว่า นักจุลชีววิทยา มาร์วิน ไวต์ลีย์ , UT Austin ทํางานร่วมกันของเฉือนและผู้เขียนบนกระดาษ" เราสามารถแสดงได้ว่าคุณแน่นอนจะเกี่ยวข้องกับยาปฏิชีวนะที่ไว , " เขากล่าวว่า ซึ่งใช้เวลาเพียงไม่กี่ P . aeruginosa ต่อพิโคลิตร เพื่อปกป้องประชากรภายใน S . aureus จากแอมพิซิลลิน , บีตา - lactam ยาปฏิชีวนะ .

ไวต์ลีย์ตื่นเต้นโดยผลลัพธ์ แต่มากขึ้นดังนั้น โดยเทคนิคที่เขากล่าวว่าสามารถนำการวัดเชิงปริมาณความจําเป็นมากในจุลชีววิทยา" วิเคราะห์เคมีเป็นสิ่งที่ดี จุลชีววิทยา และต้องการใช้มันมากขึ้น "

kaehr กล่าวว่าเทคโนโลยีสามารถประยุกต์ใช้ในพื้นที่อื่น ๆ . " งานที่นี่เน้นชุมชนจุลินทรีย์และแบคทีเรีย แต่สิ่งนี้เป็นปัญหาจริงๆในความเข้าใจ แค่ multicellularity " เขากล่าว" นี่เป็นเทคนิค [ ที่ ] หวังว่าจะเปิดเผยใหม่ชีววิทยาที่คุณมิฉะนั้นจะไม่สามารถเข้าใจ . "

นอกจากนี้ ovsianikov ระบุไว้ ระบบจะปรับให้ทำมากกว่าเพียงแค่เซลล์กับดักภายในโครงสร้างสิ่งแวดล้อม การติดตั้งเลเซอร์เดียวกันสามารถใช้ประคองโมเลกุลที่ตำแหน่งที่แม่นยำภายในสภาพแวดล้อมเพื่อให้เว็บไซต์การยึดติด หรือแกะออกจากช่องในเจลแทนที่จะสร้างผนัง " นี่เป็นเครื่องมือที่อาจช่วยให้คุณข้ามเชื่อมโยงเจลของคุณแต่งตัวเจลกับชีวโมเลกุล หรือสร้างช่องทางในลักษณะเดียวกัน กล่าวว่า ovsianikov . " นี่เป็นเครื่องมือที่มากขึ้นกว่าการพิมพ์ 3 มิติ " .