Ultrafast and reproducible quantitative analysis of bacterial chemotaxis by microfluidic cell counting and imaging

I batteri non sono semplici passeggeri passivi nel loro mondo; sono navigatori attivi capaci di percepire l'ambiente circostante e di muoversi con uno scopo. Questa capacità, nota come chemiotassi, permette agli organismi microscopici di nuotare verso i nutrienti che li sostengono o lontano dalle sostanze tossiche che minacciano la loro sopravvivenza. È un comportamento fondamentale che modella il modo in cui i batteri infettano gli ospiti, formano comunità protettive e trovano cibo in ambienti complessi. Per gli scienziati, comprendere questa navigazione è cruciale, eppure misurarla è stato a lungo un compito lento e impreciso. I metodi tradizionali richiedono spesso di aspettare tutta la notte affinché i batteri crescano in colonie visibili in una piastra di Petri, un processo che richiede molto lavoro ed è soggetto a inefficienze. Poiché i risultati possono variare molto a seconda di come viene impostato l'esperimento, è stato difficile rilevare cambiamenti sottili nel modo in cui i batteri rispondono all'ambiente o scoprire nuove sostanze che li attraggono o li respingono.

I ricercatori della City University of Hong Kong hanno sviluppato un nuovo modo per osservare questi nuotatori microscopici che è sia più veloce che molto più affidabile. Invece di aspettare che le colonie crescano, hanno combinato un classico metodo di test con una piccola macchina per il conteggio automatizzato. Nel loro approccio, i batteri vengono posti in un serbatoio accanto a un sottile tubo di vetro contenente una specifica sostanza chimica. Se la sostanza è attraente, i batteri nuotano nel tubo; se è repellente, restano lontani. In passato, gli scienziati avrebbero dovuto aspettare ore, poi diluire il liquido dal tubo e aspettare un altro giorno per contare le colonie risultanti. Il nuovo sistema salta completamente la fase di attesa. Una volta che i batteri hanno avuto il tempo di nuotare nel tubo, il liquido viene iniettato direttamente in un dispositivo microfluidico — un chip con canali microscopici — dove una telecamera e un computer contano ogni singolo batterio in tempo reale. Questo processo riduce il tempo necessario per ottenere un risultato da oltre dodici ore a solo pochi minuti.

Il team ha prima costruito e testato questo chip di conteggio per garantire che funzionasse in modo affidabile in diverse condizioni. Hanno creato canali di varie dimensioni e testato come i batteri si muovessero attraverso di essi a diverse velocità. Utilizzando simulazioni al computer, hanno mappato come l'acqua fluiva all'interno di questi minuscoli tubi, confermando che anche quando la velocità del flusso cambiava drasticamente, il dispositivo poteva ancora contare i batteri con precisione. Hanno scoperto che il sistema rimaneva preciso sia che il canale fosse largo o stretto, sia che il liquido si muovesse lentamente o velocemente. Questa robustezza è vitale perché significa che i risultati dipendono dal comportamento dei batteri, non dalle peculiarità della macchina. Quando hanno testato il dispositivo con attrattivi e repellenti noti, esso ha misurato con successo quanti batteri si muovevano verso una sostanza chiamata aspartato e quanti evitavano una sostanza chiamata indolo. I risultati sono stati coerenti e hanno mostrato molta meno variazione rispetto ai vecchi metodi, permettendo ai ricercatori di individuare differenze che erano precedentemente nascoste dal rumore sperimentale.

Con questo strumento affidabile in mano, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione a sostanze che non erano ben comprese. Hanno testato come i batteri reagivano a vari ioni metallici, una questione che non era stata esplorata a fondo. Hanno scoperto che il nichel agisce come un potente repellente, facendo nuotare via i batteri da esso. Hanno anche scoperto che lo zinco può agire come un repellente ad alte concentrazioni, ma potrebbe agire come un lieve attrattivo a livelli inferiori. Per capire quale parte dei batteri fosse responsabile della percezione di questi metalli, hanno confrontato i batteri normali con una versione mutante priva di una specifica proteina recettrice. I batteri mutanti reagivano ancora allo zinco, ma avevano perso la maggior parte della loro capacità di percepire il nichel. Ciò ha dimostrato che il recettore specifico è essenziale per rilevare il nichel ma non per percepire lo zinco, rivelando un nuovo livello di dettaglio in come i batteri interagiscono con il loro mondo chimico.

Per spingere ulteriormente la tecnologia, i ricercatori hanno progettato una seconda versione del dispositivo che elimina la necessità di spostare il campione dal tubo al contatore. In questo sistema integrato, il canale stretto funge sia da terreno di prova che da stazione di conteggio. I batteri nuotano direttamente da un serbatoio nel canale, e la telecamera li osserva muoversi in tempo reale senza pompe esterne o acqua in movimento che possano disturbarli. Questa configurazione ha permesso al team di osservare il viaggio dei batteri mentre accadeva, catturando i primissimi momenti della loro risposta. Hanno osservato che i batteri iniziano ad accumularsi nel canale entro dieci minuti dall'esposizione a un attrattivo, una velocità che i metodi più vecchi non avrebbero mai potuto raggiungere. Inoltre, questo sistema ha permesso loro di tracciare il percorso di singoli batteri, mostrando che non si limitavano a vagare casualmente ma si muovevano con una direzione chiara verso la fonte chimica.

Il lavoro dimostra che combinando un metodo semplice e collaudato nel tempo con la moderna tecnologia di imaging, gli scienziati possono osservare il comportamento batterico con una chiarezza e una velocità precedentemente impossibili. Il nuovo approccio non richiede attrezzature complesse o giorni di attesa, rendendolo accessibile a una gamma più ampia di laboratori. Fornisce un quadro chiaro e quantitativo di come i batteri navigano nel loro mondo, dalla loro reazione ai nutrienti comuni alla loro risposta agli ioni metallici. Eliminando i ritardi e le incoerenze del passato, questo metodo apre la porta alla scoperta di nuovi segnali chimici e alla comprensione delle regole fondamentali che guidano la vita microscopica.