生物膜——细菌在表面粘在一起时形成的粘稠层——使细菌能够保护自己免受极端环境的影响，甚至逃避抗生素。在一项新的研究中，研究人员表明，光陷阱形式的激光可用于控制生物膜的形成。这些发现可以让科学家利用这些微生物层进行各种生物工程应用。

加州州立大学北岭分校的研究小组负责人 Anna Bezryadina 表示：“生产微观组件通常需要高度技术性的制造工艺，但我们发现光镊可以用来精确控制单个细菌或细菌簇的位置。” “这使我们能够在微观水平上高精度地影响细菌结构的生长模式。”

在 Optica 出版集团期刊《生物医学光学快报》中，研究人员报告了他们使用光陷阱调节细菌聚集和生物膜发育的实验。他们发现不同类型的激光可用于刺激和抑制生物膜的生长。

“我们甚至可以创造一种细菌乐高积木，可以根据需要移动、粘在一起和销毁，”贝兹里亚迪纳说。 “例如，这项工作可能会导致新型可生物降解材料或新一代基于生物膜的生物传感器。”

利用光控制细菌生长

大多数生物膜研究都集中在抑制和控制生物膜的机械、化学和生物方法上。尽管科学家已经证明合成和化学方法可用于激活和控制生物膜并将生物膜设计成特定的空间结构，但 Bezryadina 和她的团队希望找出光学方法是否可用于控制生物膜动力学。要实现这一目标，需要一支具有先进光学技术和微生物学专业知识的跨学科团队。

研究人员对枯草芽孢杆菌进行了实验，这是一种自然形成生物膜的非致病性细菌。他们利用对枯草芽孢杆菌不利的低营养环境来促使细菌形成生物膜。获得小型生物膜簇后，他们使用 473 nm 蓝色激光或可在 700 至 1000 nm 范围内调谐的近透视 钛蓝宝石激光进行光学捕获实验。

他们发现，使用发射波长为 820 nm 至 830 nm 的激光可以延长生物膜簇的光学捕获时间，同时最大限度地减少显着的光损伤。然而，使用 473 nm 的激光(细菌高度吸收的波长)会导致细胞破裂和生物膜簇瓦解。他们还观察到，用于光学操作的理想细菌簇由 3 到 15 个细胞组成。

制作图案

当研究人员使用光镊在 820 nm 波长下研究细菌动力学和生物膜形成一小时时，他们发现细菌簇聚集在光捕获簇附近，粘附在表面并开始形成微菌落。他们还可以将整个样品中光学捕获的细菌簇移动到特定位置，这对于用细菌构建结构可能很有用。 NIR 激光似乎不会破坏暴露于高度聚焦 NIR 激光的细菌簇的生物膜形成，这意味着 800 nm 至 850 nm 范围内的 NIR 波长可长时间用于光学捕获、操纵和图案形成细菌簇。

Bezryadina 说：“尽管自然界中细菌生物膜的形成明显不受控制，但我们的工作表明细菌生物膜的形成会受到光的影响。” “这篇论文代表了利用细菌等现成资源制造微观建筑材料的长期项目的第一步。在未来的研究中，我们计划利用我们的发现来开发一种用细菌乐高积木构建结构的方法。”

总体而言，实验揭示了操纵生物膜所需的精确生长条件、簇大小和波长的一定灵活性。研究人员表示，他们的方法也可能适用于其他类型的生物膜形成微生物。