Стандартные 3D-принтеры позволяют лабораториям самостоятельно создавать и адаптировать инструменты для глубоких исследований бактерий. Изучение микроорганизмов требует оборудования с чрезвычайно высокой точностью. Обычно такие приборы стоят дорого и требуют много времени для изготовления традиционными методами, что долгое время существенно замедляло научный прогресс в этой области. Кроме того, биологам, использующим подобные инструменты, ранее было сложно принимать непосредственное участие в их разработке и кастомизации.
Используя стандартные бытовые 3D-принтеры, Даниэль Нильссон с физического факультета Университета Умео (Швеция) доказал, что ученые могут своими силами проектировать передовые специализированные исследовательские устройства.
«Мы разработали комплекс инструментов, которые любой желающий может изготовить непосредственно в стенах лаборатории. Мы надеемся, что это сделает микробиологические исследования гораздо менее затратными и более доступными для огромного числа ученых по всему миру», — отмечает он.
Высокоточные приборы для обнаружения бактерий
В качестве примеров разработанных исследователями инструментов можно привести оптические приборы для обнаружения и точечного воздействия на патогенные бактерии с помощью лазерного излучения. Также были созданы специализированные модули для культивирования и измерения физических свойств биопленок. Биопленки представляют собой плотные слизистые структуры, которые бактерии формируют на различных поверхностях. Они вызывают серьезные проблемы в таких критически важных сферах, как производство продуктов питания и здравоохранение, поскольку обладают высокой устойчивостью к антибиотикам и дезинфекции.
Ключевая идея этой работы заключается в том, что исследователи должны иметь возможность оперативно создавать, адаптировать и совершенствовать лабораторное оборудование строго под свои текущие нужды, а не полагаться на дорогостоящие и жестко стандартизированные коммерческие решения.
«Данные методы открывают путь к более конструктивному и ориентированному на конкретные потребности подходу к инженерной разработке внутри самого научного сообщества», — подчеркивает Нильссон.
В диссертацию Нильссона под названием «3D-Printed Instrumentation for Microfluidics, Optical Tweezers, and Biofilm Studies» включены пошаговые руководства по интеграции открытой микроэлектроники (такой как контроллеры Arduino и Raspberry Pi) с распечатанными на 3D-принтере элементами. Работа наглядно демонстрирует, как ученые и другие заинтересованные специалисты могут самостоятельно проектировать инструменты для 3D-печати и беспрепятственно интегрировать в них доступную электронику с открытым исходным кодом.
Основные научные публикации и патенты в рамках этой работы также доступны на странице автора в Google Scholar.
«Одни и те же методы можно эффективно использовать как для создания сложнейших исследовательских приборов, так и для сборки повседневных технологических решений, упрощающих рутинную работу в лаборатории», — заключает Нильссон.
Разработанный в Университете Умео метод имеет большой потенциал для ускорения открытий в области агробиологии и защиты растений. Внедрение доступной 3D-печати позволяет ученым реагировать на новые биологические угрозы, самостоятельно собирая уникальные исследовательские стенды без ожидания коммерческих поставок. Это открывает новые горизонты для прикладных сельскохозяйственных институтов, которым нужно оперативно изучать поведение патогенов в режиме реального времени.
Технология создания высокоточных оптических и лазерных приборов на бытовых принтерах может быть эффективно развернута в нескольких типах специализированных лабораторий.
В первую очередь методика найдет применение в лабораториях фитопатологии и защиты сельскохозяйственных культур. Здесь напечатанные оптические датчики и лазерные манипуляторы помогут исследователям обнаруживать опасные бактериальные заражения семян и плодов на самых ранних стадиях. Ученые смогут конструировать кастомные модули для анализа того, как бактерии закрепляются на поверхности листьев или корней культурных растений, формируя устойчивые биопленки. Это важно для разработки новых способов борьбы с бактериальными ожогами, гнилями и другими болезнями, уничтожающими урожай.
Во-вторых, данный подход крайне востребован в лабораториях сельскохозяйственной микробиологии и биотехнологий. Исследователи смогут самостоятельно собирать недорогие и точные приборы для культивирования полезных почвенных бактерий или изучения микробиома растений. Возможность легкой интеграции открытой электроники в напечатанные корпуса позволяет создавать автоматизированные инкубаторы и датчики для мониторинга роста микроорганизмов, оптимизирующих питание ягодных, зерновых и овощных культур.
Технология будет полезна в лабораториях контроля качества пищевой продукции и агроэкологии. С помощью дешевых специализированных инструментов специалисты смогут изучать биопленки, образующиеся на технологических линиях переработки и хранения собранного урожая. Это позволит создавать эффективные и безопасные протоколы дезинфекции элеваторов, хранилищ и упаковочных цехов, защищая коммерческие партии продуктов от преждевременной порчи.
Наконец, технология быстрой и дешевой разработки приборов для анализа биопленок имеет значение для животноводческого сектора. В промышленном разведении бактериальные биопленки массово формируются на внутренних поверхностях оборудования, становясь постоянным источником опасных инфекций.
В первую очередь это касается автоматических систем поения. Внутри длинных и разветвленных пластиковых труб, по которым подается вода в коровники, свинарники или птичники, бактерии мгновенно выстраивают слизистые полимерные каркасы. Такие биопленки надежно защищают патогенные микроорганизмы (например, сальмонеллу или кишечную палочку) от воздействия стандартных доз дезинфектантов и хлора. Вода на выходе становится токсичной, вызывая массовые расстройства пищеварения и падеж молодняка.
Другой критической зоной является доильное оборудование на молочно-товарных фермах. Бактерии образуют стойкие биопленки на внутренних стенках молокопроводов, резиновых элементах доильных стаканов и в резервуарах для охлаждения молока. Если вовремя не обнаружить их формирование, патогены будут постоянно вымываться потоком молока, приводя к резкому скачку бактериальной обсемененности сырья и вызывая у коров мастит — опасное воспаление вымени.
Также биопленки активно развиваются в автоматизированных системах кормления и кормушках, особенно при использовании жидких или влажных кормовых смесей. Остатки питательной среды в углах и швах кормовых столов становятся инкубатором для грибков и бактерий.
Применение доступных 3D-печатных лазерных и оптических приборов в ветеринарных и зоотехнических лабораториях позволит оперативно проводить мониторинг смывов с оборудования. Специалисты смогут тестировать новые, более эффективные и безопасные составы для расщепления бактериальных пленок, защищая здоровье поголовья без избыточного применения антибиотиков.
Источник: Umea University. Автор фото: Даниэль Нильссон.