La placca dentale, i batteri intestinali e la lucentezza scivolosa delle rocce fluviali sono tutti esempi di biofilm, comunità organizzate di microrganismi che colonizzano i nostri corpi e il mondo che ci circonda. Un nuovo studio condotto da ricercatori della Penn State rivela esattamente come i biofilm in crescita modellano i loro ambienti e perfezionano la loro architettura interna per adattarsi all’ambiente circostante. I risultati potrebbero avere implicazioni per un’ampia varietà di applicazioni, dalla lotta alle malattie alla progettazione di nuovi tipi di materiali viventi attivi.
“Nel caso dei batteri, crescono, si dividono e applicano forze tra loro e con l’ambiente circostante”, ha affermato Sulin Zhang, professore di ingegneria e meccanica e di ingegneria biomedica alla Penn State e autore corrispondente di un articolo sulla scoperta, recentemente pubblicato sulla rivista Fisica della Natura. “In quanto tali, i batteri in crescita hanno il potenziale per modellare l’ambiente, cambiando l’ambiente in cui vivono, quindi eravamo interessati a comprendere le interazioni reciproche tra il biofilm in crescita e l’ambiente in cui cresce.”
Zhang ha collaborato con un team interdisciplinare di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology e Yale per studiare quell’interazione su tutti i fronti: teoricamente, sperimentalmente e computazionalmente. I ricercatori hanno utilizzato biofilm prodotti dal Vibrio cholerae, che può causare il colera, come sistema modello per dimostrare la capacità di automodellarsi e auto-organizzarsi di un sistema di crescita 3D.
In natura, i biofilm tendono a crescere in spazi ristretti e confinati, ha spiegato Zhang, quindi il team ha coltivato il biofilm tra un idrogel morbido e un substrato di vetro rigido. Hanno analizzato il biofilm in crescita utilizzando l’imaging di singole cellule, simulazioni basate su agenti e la teoria della meccanica del continuo. I ricercatori hanno scoperto che i biofilm modellano se stessi e il loro confine in una formazione efficiente nota come “nematici attivi”, la disposizione di molecole semoventi in linee parallele invece che in strati.
“Abbiamo scoperto che i biofilm sfruttano gli stress indotti dalla crescita per modellare il loro ambiente e creare una struttura nematica”, ha affermato Jing Yan, assistente professore di biologia molecolare, cellulare e dello sviluppo presso l’Università di Yale e co-autore corrispondente dell’articolo. “Questo ci avvicina molto alla possibilità di controllare la morfologia, l’impaccamento e l’ordinamento del biofilm.”
Zhang ha spiegato che la comprensione del ciclo di feedback tra la crescita del biofilm, la crescita generata dallo stress e il suo ambiente potrebbe aprire la strada alla crescita controllata di biofilm benefici, all’eliminazione di quelli dannosi e persino al potenziale sviluppo di nuove classi di materiali di crescita attivi in grado di rispondere a – e alterare attivamente – il loro ambiente.”
Yan ha aggiunto che si tratta di informazioni particolarmente preziose nel campo dell’assistenza sanitaria. I biofilm svolgono un ruolo sostanziale nella crescita delle malattie negli esseri umani e negli animali, poiché possono eludere la risposta immunitaria. La natura coordinata dei biofilm batterici li rende altamente resistenti agli antibiotici convenzionali, quindi sono estremamente difficili da trattare. Infatti, secondo l’American Society for Microbiology, la maggior parte delle infezioni croniche resistenti agli antibiotici sono causate da biofilm.
“Quando un batterio entra nel corpo, si trasforma in un’infezione sotto forma di biofilm e si trova in un ambiente confinato: l’intestino”, ha detto Yan.
Una migliore comprensione di come le malattie provocate dal biofilm possano svilupparsi in un ambiente del genere consentirà ai ricercatori di sviluppare nuovi modi per interrompere tale crescita, ha aggiunto.
“Ciò che abbiamo imparato aiuterà a sviluppare strategie per affrontare queste infezioni”, ha affermato Changhao Li, dottorando in meccanica computazionale alla Penn State e coautore dell’articolo. “I fenomeni scoperti qui potrebbero portare a nuove strategie per sopprimere la crescita di biofilm dannosi e darci la capacità di progettare e programmare quelli benefici”.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
