כלובים מיקרוסקופיים בהדפסת תלת ממד לכליאת חיידקים

באמצעות כליאת חיידקים בתוך כלובים מיקרוסקופיים מדענים מאוניברסיטת טקסס אוסטין בוחנים כיצד מושבות של חיידקים, כמו אלו הנמצאים במעיים של האדם, מגיבים ביניהם וגורמים לזיהומים

באמצעות כליאת חיידקים בתוך כלובים מיקרוסקופיים מדענים מאוניברסיטת טקסס אוסטין בוחנים כיצד מושבות של חיידקים, כמו אלו הנמצאים במעיים של האדם, מגיבים ביניהם וגורמים לזיהומים.

בניסוי האחרון שלהם, החוקרים הדגימו כי מושבה של חיידקים מהזן Staphylococcus aureus, המסוגלים לגרום לזיהומי עור שונים, הפכו להיות עמידים יותר לחומרים אנטיביוטיים כאשר שילבו אותם במושבה גדולה יותר של חיידקים מהזן Pseudomonas aeruginosa, חיידק המעורב במספר מחלות, ביניהן סיסטיק פיברוזיס. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences.

החוקרים השתמשו בטכנולוגיה חדישה של הדפסה תלת-ממדית לשם בניית "בתים" בקנה-מידה מיקרוסקופי עבור החיידקים. השיטה שלהם עושה שימוש בלייזר לשם בניית "כלובי" חלבונים מסביב לחיידק בתוך מצע של ג'לטין. המבנה המתקבל יכול להיות כמעט בכל צורה או גודל, וניתן אף להזיזו לקראת מבנים אחרים המכילים גם הם מיקרו-מושבות של חיידקים. השיטה תוכל לאפשר פיתוח של קבוצה חדשה לחלוטין של ניסויים שיוכלו להעריך בצורה טובה יותר את התנאים בהם נתקלים חיידקים בסביבות ביולוגיות מעשיות, כמו למשל בגוף האדם.

"השיטה מאפשרת לנו, הלכה למעשה, למדוד כל משתנה ומשתנה," אמר אחד מהחוקרים. "אנו יכולים למדוד את המאפיינים המרחביים בקנה מידה המתאים לנישה שבתוכה פועל חיידק יחיד. בנוסף, אנו יכולים לדמות באופן מדויק יותר את סוגי קהילות החיידקים המורכבות הנמצאות בזיהומים ממשיים, שבתוכן, בדרך כלל, מתקיימים זנים שונים של חיידקיים המגיבים אחד עם השני."

השיטה מתחילה בחומר מגיב המבוסס על ג'לטין הכולל מספר מאפייני מפתח. חיידקים יכולים לחיות ולשגשג בנוחות בתוך חומר זה. כאשר הוא חם, החומר מופיע בצורת תמיסה נוזלית, אולם בטמפרטורת החדר הוא הופך לדמוי-מוצק בדומה לג'לי למאכל. בתוך התערובת נמצאות גם מולקולות הרגישות לאור הגורמות למולקולות הג'לטין להגיב אחת עם השנייה ולהיקשר יחדיו בתגובה לחשיפה לקרני לייזר. החיידקים מוכנסים לתמיסה וכאשר זו מתקררת החיידקים מתקבעים במקומם. בשלב הבא החוקרים בוחנים את המושבות שבתערובת ומחליטים מהו הזן אותו הם רוצים לכלוא ועל מבנה הכליאה. בשלב זה הם מקרינים את אלומת הלייזר בצורת צורה דו-ממדית לתוך הג'לטין. כל נקודה שבה נוגעת האלומה, הופכת למצע מוצק. "ואז אנו יוצרים שכבה נוספת, ועוד שכבה, וכן הלאה תוך יצירת תמונות והערמתן לכדי מבנה תלת-ממדי, בדומה לתהליך המתרחש במדפסת תלת-ממדית, אך יחד עם בקרה מדהימה. חשבו על עובי השערה על ראשכם וקחו אחוז אחד בלבד ממנה ואז רבע מזה. זהו בערך גודל אלומת הלייזר שלנו כאשר היא מתמקדת לכדי הנקודה הזעירה ביותר האפשרית שלה."

לאחר שמתקבל המבנה המוגמר, ניתן להזרים לתוכו חומרי הזנה המתאימים לחיידק ולאפשר לו להתרבות בתוך הנישה התחומה לקבלת מושבה בגודל מבוקר. החוקרים יכולים ליטול מיקרואורגניזמים כלואים אחרים ולקרב אותם מספיק כך ששתי המושבות תוכלנה לתקשר בינן לבין עצמן בעזרת אותות. ניתן אפילו לשטוף החוצה את עודף הג'לטין, לעצור את גדילת החיידק ולאחסן אותו למשלוח עתידי למעבדות אחרות בשאר חלקי העולם.

"הייחוד של המבנים הללו איננו רק יכולת הבקרה במונחי הגיאומטריה; המבנים שלנו הם גם מאוד ביו-ידידותיים," מסביר החוקר. "הדופנות שיצרנו ממולקולות חלבון אלו מחוברות יחדיו בחוזקה שמספיקה לכליאת החיידק, אולם יחד עם זאת הן נקבוביות מספיק על מנת לאפשר כניסתם של כימיקלים. כלומר – חומרי הזנה יכולים לחדור לתוך המבנה; פסולת יכולה לצאת ממנו; ואותות יכולים לצאת ולהיכנס לתוכו. החיידקים כלואים בתוך "בתים" זעירים אלו, ויחד עם זאת הם מתנהגים כאילו היו בסביבות ביולוגיות רגילות."

החוקרים טוענים כי השיטה החדשנית תוכל לאפשר ביצוע קשת רחבה של ניסויים. ניתן יהיה להקפיא את התפתחות החיידק בכל נקודה ולבצע ניתוח של ביטוי גנים לאותו שלב בהתפתחות, וזאת על מנת לבדוק אילו גנים מופעלים ואילו מושתקים בתגובה לתנאים שונים. ניתן יהיה, לדוגמה, לאלץ זנים שונים של חיידקים להגיב באופנים שונים, בכמויות משתנות ולאורך סקאלות זמנים שונות. ניתן יהיה גם ליצור מבנים בצורת "ליבה וקליפה" שבה הליבה תהיה זן חיידק אחד והקליפה זן אחר לשם בדיקת יכולתם המשותפת להילחם בפולש מזיק. היעדים ארוכי הטווח הם להשתמש בתובנות המתקבלות מניסויים כאלו על מנת להיאבק טוב יותר בזיהומים ודלקות באדם.

מסבירים החוקרים: "הבה נחשוב על בית-חולים המוכר כמקום לא טוב כל כך להימנע בו מזיהומים. קיימים מחקרים המצביעים על כך כי זיהומים נגרמים ע"י מיקרו-מושבות זעירות במיוחד של חיידקים, הנישאות ע"י ציוד או העובדים, מחלק אחד של המקום לחלקו השני. כיום, יש לנו מידע מועט בלבד באשר לאופן בו תהליך זה מתרחש. כמה תאים צריך כדי שהדבר יתרחש? האם מיקרו-מושבות אלו הופכות לעמידות במיוחד כנגד תרופות אנטיביוטיות בגלל שהן זעירות וכך הן יכולות לשנות את התכונות של החיידקים הנמצאים באופן רגיל על גביי העור או בתוך הגוף שלנו? עכשיו יש לנו את הכלים המאפשרים לנו להתחיל ולשאול את השאלות הללו באופן רחב יותר."

הידיעה על המחקר