- Nie rzędy wielkich zbiorników przemysłowych, nie półki zastawione probówkami i zlewkami. Przyszłość chemii i biologii jest dla oka ledwie widoczna: to setki i tysiące mikrokropel, sunących cieniutkimi kanalikami układów mikroprzepływowych. Na świecie trwa wyścig ku technologiom pozwalającym prowadzić w mikrokroplach kontrolowane doświadczenia chemiczne i biologiczne - informuje Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN).

Właśnie w tej warszawskiej instytucji po raz pierwszy zademonstrowano metodę zdalnej, a jednocześnie szybkiej i precyzyjnej oceny zużycia tlenu przez drobnoustroje żyjące w poszczególnych mikrokroplach.

- Układy do hodowania bakterii w mikrokroplach mają szansę zrewolucjonizować prace nad nowymi antybiotykami czy badania nad mechanizmami odpowiedzialnymi za nabywanie lekooporności przez bakterie. W jednym, małym układzie mikroprzepływowym można bowiem zmieścić kilkaset, a nawet kilka tysięcy mikrokropel – i w każdej realizować inny eksperyment, np. z różnymi gatunkami drobnoustrojów i przy różnych stężeniach antybiotyku w każdej kropli - opisuje prof. Piotr Garstecki z IChF PAN.

- Żeby takie badania były możliwe, bakteriom trzeba zapewnić warunki do rozwoju nawet przez kilka tygodni. Niezwykle ważna staje się więc wiedza o przepływie tlenu do kropel i tempie jego konsumpcji przez mikroorganizmy. W naszym najnowszym układzie demonstrujemy sposób na odczytywanie tej kluczowej informacji - wyjaśnia prof. Garstecki.

Bioreaktory przyszłości to wodne kropelki z pożywką, unoszone w niemieszającej się z nimi cieczy nośnej, którą zwykle jest olej. W kanaliku układu mikroprzepływowego każda kropelka jest dłuższa niż szersza, i niemal całkowicie wypełnia jego światło. Tak dobrane rozmiary gwarantują, że krople nie zamienią się w kanale miejscami i przez cały czas trwania eksperymentu można je będzie bez problemów identyfikować.

Jednocześnie między każdą mikrokroplą a ściankami kanału trzeba cały czas zapewnić obecność cienkiej warstwy oleju. Bez niej bakterie miałyby bezpośredni kontakt ze ściankami kanału, mogłyby się na nich osadzać i przenosić z kropli do kropli. Niestety, gdy mikrokropla jest nieruchoma, z czasem wypycha olej odgradzający ją od ścianek, co grozi ich kontaminacją. To dlatego krople muszą być utrzymywane w ciągłym ruchu – nawet tygodniami.

Jak informuje IChF PAN, zwijające się bakterie potrzebują pożywki, a z ich otoczenia należy w odpowiednim tempie usuwać produkty przemiany materii. Informacja o przebiegu konsumpcji tlenu przez bakterie w poszczególnych kroplach ma więc kluczowe znaczenie dla działania mikrobioreaktorów.

- W każdej z kilkuset znajdujących się w ruchu kropelek trzeba przeprowadzać pomiary z częstotliwością odpowiadającą częstotliwości podziałów bakterii lub większą, w praktyce przynajmniej raz na kwadrans. Dodatkowo pomiar nie może się wiązać z ingerencją w mikrokrople - mówi doktorant Michał Horka z IChF PAN - jeden ze współautorów publikacji w czasopiśmie „Analytical Chemistry”.

Z pomocą warszawskim naukowcom pospieszyli chemicy z austriackiego Institute of Analytical Chemistry and Food Chemistry przy Graz University of Technology. Dostarczyli oni polimerowe nanocząstki z fosforyzującym barwnikiem, po pobudzeniu do świecenia emitujące światło tym dłużej, im większe jest stężenie tlenu w otaczającym je roztworze. Nanocząstki te poddano w IChF PAN testom na bakteriach w celu ustalenia ich ewentualnej toksyczności. Tej jednak nie stwierdzono. Później rozpoczęły się już właściwe badania nad monitorowaniem zużycia tlenu w mikrokroplach.

Rozpoczynano od przygotowania roztworu wodnego z bakteriami, pożywką i odpowiednią ilością nanocząstek. Mieszaninę wstrzykiwano do układu mikroprzepływowego zbudowanego z wężyków połączonych za pomocą teflonowych kostek z odpowiednio ukształtowanymi kanalikami. Pierwsza kostka formowała krople o objętości ok. 4 mikrolitrów, które kierowano do nawiniętego na szpulę wężyka inkubacyjnego. W połowie jego długości umieszczono drugą kostkę, z detektorami do pomiaru tlenu i absorbancji.

Badacze z IChF PAN wykazali, że skonstruowany przez nich układ mikroprzepływowy pozwala regularnie i szybko monitorować aktywność metaboliczną bakterii w poszczególnych mikrokroplach.

- Nasze testy przeprowadziliśmy zarówno z bakteriami pływającymi w wodzie pojedynczo – tak zachowują się popularne bakterie Escherichia coli – jak i z mającymi tendencję do zlepiania się w grudki – jak to jest w przypadku prątków gruźlicy czy należących do tej samej rodziny, a badanych przez nas Mycobacterium smegmatis. Ocena tempa konsumpcji tlenu przez oba gatunki drobnoustrojów okazała się nie tylko możliwa, ale i wiarygodna - podkreśla doktorant IChF PAN Artur Ruszczak.

Wyniki badań, finansowanych z europejskich grantów ERC Starting Grant (strona polska) i Marii Skłodowskiej-Curie (strona austriacka), to ważny etap w procesie budowy w pełni funkcjonalnych układów mikroprzepływowych do prowadzenia wielotygodniowych eksperymentów biologicznych.

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl