17.08.2018 - Università degli Studi di Roma "La Sapienza"

Mit Licht modifizierte Bakterien als Schlüssel für zukünftige Lab-on-a-Chip Anwendungen

Gentechnisch veränderte Bakterien als "Mikrobausteine" für zukünftige mikroskopische Geräte

Wissenschaftler haben Lichtmuster verwendet, um die Schwimmgeschwindigkeit von Bakterien zu kontrollieren und sie in verschiedene Formen zu lenken. Eine solche Kontrolle der Bakterien ermöglicht es, sie als Mikrobausteine für die nächste Generation mikroskopischer Geräte zu verwenden. Zum Beispiel könnten sie ein größeres Objekt wie ein Maschinenteil oder einen Medikamententräger umgeben und dann als lebende Propeller verwendet werden, um es dorthin zu transportieren, wo es gebraucht wird.

Escherichia coli (E. coli) Bakterien sind als fantastische Schwimmer bekannt. Sie können sich in einer Sekunde um das Zehnfache ihrer Länge bewegen. Sie haben Propeller, die von einem Motor angetrieben werden, und sie laden diesen Motor normalerweise durch einen Prozess auf, der Sauerstoff benötigt. Vor kurzem fanden Wissenschaftler ein Protein (Proteorhodopsin) in Meeresbakterien, das es ihnen erlaubt, ihre Propeller mit Licht zu betreiben. Durch die Entwicklung anderer Arten von Bakterien, um dieses Protein zu erhalten, ist es möglich, ein "Solarpanel" auf jeder Bakterienzelle zu platzieren und ihre Schwimmgeschwindigkeit ferngesteuert mit Licht zu steuern.

"Ähnlich wie Fußgänger, die ihre Gehgeschwindigkeit verlangsamen, wenn sie auf eine Menschenmenge treffen, oder Autos, die im Verkehr stecken, werden schwimmende Bakterien mehr Zeit in langsameren Regionen verbringen als in schnelleren", erklärt Hauptautor Giacomo Frangipane, Postdoc an der Universität Rom, Italien. "Wir wollten dieses Phänomen ausnutzen, um zu sehen, ob wir die Bakterienkonzentration mit Licht beeinflussen können."

Dazu schickten Frangipane und sein Team Licht von einem Projektor durch eine Mikroskoplinse, formten das Licht mit hoher Auflösung und erforschten, wie E. coli-Bakterien ihre Geschwindigkeit beim Schwimmen durch Regionen mit unterschiedlichem Beleuchtungsniveau verändern.

Sie projizierten das Licht fünf Minuten lang gleichmäßig auf eine Schicht von Bakterienzellen, bevor sie sie einem komplexeren Lichtmuster ausgesetzt wurden - einem negativen Bild der Mona Lisa. Sie fanden heraus, dass sich Bakterien in den dunklen Bereichen des Bildes zu konzentrieren begannen, während sie sich aus den stärker beleuchteten Bereichen heraus bewegten. Nach vier Minuten war eine erkennbare bakterielle Nachbildung von Leonardo da Vincis Gemälde zu sehen, mit helleren Bereichen, die den Bereichen der angesammelten Bakterienzellen entsprechen.

Obwohl die von den Bakterien gebildete Form erkennbar war, stellte das Team fest, dass die entwickelten E. coli nur langsam auf Lichtschwankungen reagierten, was zu einer unscharfen Bildung der Zielform führte. Um dies zu beheben, wurde ein Regelkreis verwendet, in dem alle 20 Sekunden die Bakterienform mit dem Zielbild verglichen und das Lichtmuster entsprechend aktualisiert wird. Dadurch entstand ein optimales Lichtmuster, das die Zellkonzentration mit wesentlich höherer Genauigkeit formt. Das Ergebnis ist eine "photokinetische" bakterielle Zellschicht, die sich in eine nahezu perfekte Nachbildung eines komplexen Schwarzweiß-Zielbildes verwandeln lässt.

"Wir haben gezeigt, wie die Suspension von schwimmenden Bakterien zu einer neuen Klasse von lichtkontrollierbaren Wirkstoffen führen kann, deren Dichte mit einem Low-Power-Lichtprojektor präzise, reversibel und schnell geformt werden kann", sagt Roberto Di Leonardo, Associate Professor am Department of Physics der Universität Rom. "Mit Hilfe der Bakterien könnten feste biomechanische Strukturen oder neuartige Mikrogeräte für den Transport von kleinen biologischen Ladungen in miniaturisierten Labors geschaffen werden."

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