Laserem proti mikroorganismům. Výzkum vědců pomůže ve zdravotnictví i průmyslu

Vědci vyvíjejí speciální povrchy, které zabraňují přilnutí mikroorganismů. Jejich povrchová společenstva, zvaná biofilmy, totiž často kontaminují zdravotnické vybavení nebo poškozují průmyslová zařízení. Na výzkumu pracují experti z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy v centru BIOCEV a Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR v Centru HiLASE v rámci projektu LasApp a vědecko-technologického klastru STAR. Výsledky unikátní spolupráce mikrobiologů a expertů na laserové technologie bude možné využít hned v několika oborech.

Biofilm je tenká vrstva společenstva mikroorganismů, která roste na povrchu nějaké struktury a ulpívá na něm. Biofilmy jsou všude kolem nás a mají zásadní vliv na život na Zemi. Mohou obsahovat bakterie, kvasinky či jiné mikroorganismy.

Biofilmy jsou ale vážným problémem v oborech, jako je medicína nebo průmysl. Kontaminují totiž zdravotnické vybavení, například katétry a implantáty, což může vést k chronickým infekcím. V průmyslu zase způsobují korozi a znečištění zařízení. Dokonce i ve vesmíru mohou ohrožovat klíčové prvky zařízení jako jednotky na úpravu vody či skafandry.

Jak předejít tvorbě biofilmů

Existují dvě hlavní strategie, jak se s biofilmy vypořádat. „První je již vytvořené biofilmy zlikvidovat. A vůbec nejúčinnějším způsobem, jak se vyhnout problémům s biofilmy, je zabránit jejich vzniku,” říká vedoucí výzkumného týmu Zdena Palková z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy v centru BIOCEV.

Nedovolit mikroorganismům, aby na povrch přilnuly, dokážou moderní metody zahrnující antimikrobiální úpravy povrchů a nanotechnologie. Právě na ně se zaměřuje tým Zdeny Palkové ve spolupráci s kolegy z laserového Centra HiLASE v čele s Petrem Hauschwitzem z Fyzikálního ústavu AV ČR.

Společným cílem je navrhnout a zavést pokročilé nanostrukturové úpravy povrchů materiálů, které se běžně používají v medicíně a průmyslu, tím výrazně omezit nebo zcela zabránit přichytávání mikrobů, a potlačit tak nežádoucí vznik biofilmů. Mechanické odstranění biofilmů totiž často není možné, například u implantátů v těle pacienta.

„I přes pokroky ve výzkumu stále neznáme všechny detaily o biofilmech. Chybějí nám informace o jejich vnitřní struktuře a organizaci, což je klíčové pro efektivní boj proti nim. Proto je nedílnou součástí naší snahy i samotný základní výzkum, bez kterého nemůžeme odhalit a pochopit mechanismy vztahu mezi různě efektivní přilnavostí mikrobů a tvorbou komplexních biofilmů,” dodává Zdena Palková.

Pokročilé laserové technologie otevírají nové možnosti

Výzkumný program RWP3 (Research work package 3; Laser applications in biotechnology) v projektu LasApp se proto zaměřuje na vývoj laserových technologií pro pokročilé povrchové úpravy vybraných materiálů ze zdravotnického a průmyslového odvětví, které jsou často právě biofilmy kontaminovány.

„Cílem je vytvořit povrchy, které díky speciální struktuře na mikroskopické a nanometrové úrovni brání přilnutí bakterií a dalších mikroorganismů,“ vysvětluje Petr Hauschwitz z Fyzikálního ústavu AV ČR, vedoucí výzkumného týmu laserového mikroobrábění Centra HiLASE.

Laserové strukturování je moderní metoda, která umožňuje precizní úpravy povrchů materiálů na mikro- a nano- úrovni. S využitím špičkových laserových technologií lze vytvářet struktury s detailem v řádu stovek nanometrů, které jsou menší než průměrný rozměr bakterie nebo mikrobu, což výrazně snižuje pravděpodobnost jejich přichycení na povrch.

Rychlejší a efektivnější mikro- a nanostruktury pro boj s biofilmy

Vedle samotného vývoje funkční topografie se týmy zaměřují na zefektivnění laserové výroby s využitím pokročilých technik dynamického tvarování laserového svazku pomocí prostorového světelného modulátoru (SLM) a interferenčního obrábění.

Tyto metody umožňují rychlejší a efektivnější výrobu povrchů, které lze aplikovat i na složitě tvarované předměty. To je velmi důležité jak pro průmysl, tak pro zdravotnictví. Tato inovace může významně zlepšit způsoby, jak bojovat proti mikrobiální kontaminaci.

„Očekáváme, že naše výsledky povedou k vývoji nových povrchových úprav, které budou schopné eliminovat široké spektrum mikroorganismů a předcházet tvorbě nežádoucích biofilmů,“ dodává Petr Hauschwitz.

Výsledky projektu znamenají významný přínos k současným poznatkům o efektivní výrobě funkčních nanostruktur a budou publikovány v prestižních odborných časopisech.

Vědecká spolupráce přináší praktické výsledky

Interdisciplinární spolupráce mezi mikrobiology z BIOCEV a laserovými specialisty z HiLASE již přináší první hmatatelné výsledky. „Naše společné úsilí vedlo k vytvoření prvních typů povrchových úprav, které snižují riziko mikrobiální kontaminace,“ říká Petr Hauschwitz. „Tato úspěšná fáze nás utvrzuje v tom, že jdeme správným směrem. Nyní se zaměříme na další vývoj topografií, abychom rozšířili účinnost proti více typům mikrobů,“ zdůrazňuje.

Tyto úpravy mají potenciál, aby zlepšily hygienické standardy ve zdravotnictví. Technologie využívající dynamické tvarování laserového svazku a interferenční obrábění nejenže brání přilnutí mikroorganismů a následné tvorbě biofilmů, ale také výrazně urychlují a zlevňují výrobní procesy.

Středočeské Silicon Valley

Obě vědecká centra, BIOCEV a HiLASE, jsou součástí vědecko-technologického klastru STAR (Science and Technology Advanced Region), který vznikl v roce 2015 nedaleko Prahy mezi obcemi Vestec, Zlatníky-Hodkovice a Dolní Břežany. Na území o rozloze 23 km² působí více než 1000 vědců a studentů v oblasti biotechnologií, biomedicíny, laserů a laserových aplikací.

Výsledky bádání vědců z BIOCEV směřují k návrhům nových léků a léčebných metod, např. proti rakovině, neplodnosti nebo covid-19. Fyzici z Dolních Břežan vyvíjejí supermoderní lasery, které se uplatňují v průmyslových aplikacích, medicíně, ve vesmíru i obraně.

„Naším cílem je maximálně využít vědeckého a technologického potenciálu, který představují výzkumné organizace a firmy ve STAR. Pořádáme networkingové a vzdělávací akce, kde společně diskutujeme o možnostech podpory vědců i mezioborové spolupráce. Právě takové jako mezi Zdenou Palkovou a Petrem Hauschwitzem. Výsledky dalších vědeckých synergií napříč přírodními a technickými obory mohou být velkým přínosem pro společnost,“ říká Jana De Merlier, ředitelka STAR klastru.

Kontakt:
Petr Solil
petr.solil@biocev.eu

Interdisciplinární projekt LasApp: spojení laserů s mikrobiologií

Projekt LasApp rozvíjí centra vědecké excelence a kompetence v laserové technice se zaměřením na vláknové a tenkodiskové lasery a jejich potenciální aplikace pro chytrou výrobu, vesmírné a biotechnologické aplikace. Spojuje excelentní laserová výzkumná centra Akademie věd České republiky s dalšími špičkovými pracovišti. V tomto případě experti z projektu LasApp a vědecko-technologického klastru STAR v rámci silně interdisciplinárního přístupu kombinují špičkové laserové technologie s unikátním know-how v oblasti biofilmů. Výzkumníci se mohou opřít o robustní zázemí pro práci s daty, automatizaci, robotizaci a využití umělé inteligence. Součástí projektu je také vývoj technologií pro výrobu speciální a ultra přesné optiky a pokročilých diagnostických metod. Více na www.lasapp.cz.

Přečtěte si také

• Nová PET/MRI kontrastní látka slibuje včasné odhalení skrytých nemocí
• Skrytými místy Pražského hradu provede zájemce aplikace. Třeba i z obýváku
• Nanočástice poodkrývají taje nelineární dynamiky otevřených systémů
• Pokročilá teorie informace odhaluje příčiny extrémních jevů (nejen) v počasí
• Mikrobiologický ústav AV ČR získal evropské ocenění excelence lidských zdrojů
• Nová studie odhalila roli cukrů na povrchu buněk v navigaci neuronů
• Replika starověké římské lodi kotví ode dneška na Nových mlýnech
• Revoluční metoda českých vědců odhalila strukturu chromozomu
• Třetí ročník akce Biosmršť 2024 zaznamenal nový rekord v počtu pozorování
• Kde se Mars třese? Nová studie poukazuje na jižní okraj oblasti Tharsis