Bakterije su izuzetno dobri plivači – osobina koja može biti štetna po ljudsko zdravlje. Jedna od najčešćih bakterijskih infekcija u zdravstvenom okruženju dolazi od ulaska bakterija u telo kroz katetere, tanke cevčice umetnute u urinarni trakt. Iako su kateteri dizajnirani da izvlače tečnost iz pacijenta, bakterije su u stanju da se pokreću uzvodno i u telo preko kateterskih cevi koristeći jedinstveno plivajuće kretanje, uzrokujući 300 miliona dolara urinarnih infekcija povezanih sa kateterom u SAD godišnje.
Sada je interdisciplinarni projekat u Caltech-u dizajnirao novi tip kateterske cevi koja ometa pokretljivost bakterija uzvodno, bez potrebe za antibioticima ili drugim hemijskim antimikrobnim metodama. Sa novim dizajnom, koji je optimizovan novom tehnologijom veštačke inteligencije (AI), broj bakterija koje mogu da plivaju uzvodno u laboratorijskim eksperimentima smanjen je 100 puta.
Rad, „Geometrijski dizajn katetera protiv infekcije uz pomoć veštačke inteligencije“, objavljen je u časopisu Science Advances 3. januara.
U cevima katetera, tečnost pokazuje takozvani Poiseuilleov tok, efekat gde je kretanje tečnosti brže u centru, ali sporo u blizini zida, slično protoku u rečnoj struji, gde brzina vode varira od brze u centru. usporiti blizu obala. Bakterije, kao samohodni organizmi, pokazuju jedinstveno kretanje „dva koraka napred duž zida, jedan korak nazad u sredini“ koje proizvodi njihov napredni napredak u cevastim strukturama. Istraživači u laboratoriji Bradi prethodno su modelirali ovaj fenomen.
„Jednog dana, podelio sam ovaj intrigantan fenomen sa Kjarom Darajo, uokvirujući ga jednostavno kao ’kul stvar’, a njen odgovor je pomerio razgovor ka praktičnoj primeni“, kaže Tingtao Edmond Zhou, postdoktorski naučnik hemijskog inženjerstva i prvi saradnik autor studije. „Kijarino istraživanje se često poigrava sa svim vrstama zanimljivih geometrija, i ona je predložila da se ovaj problem reši jednostavnim geometrijama.
Sledeći taj predlog, tim je dizajnirao cevi sa trouglastim izbočinama, poput peraja ajkule, duž unutrašnje strane zidova cevi. Simulacije su dale obećavajuće rezultate: ove geometrijske strukture su efikasno preusmerile kretanje bakterija, gurajući ih ka centru cevi gde ih je brži tok gurnuo nazad nizvodno. Zakrivljenost trouglova nalik na peraje takođe je stvorila vrtloge koji su dodatno ometali napredak bakterija.
Zhou i njegovi saradnici su imali za cilj da eksperimentalno verifikuju dizajn, ali im je bila potrebna dodatna biološka ekspertiza. Za to je Džou posegnuo za Olivijom Ksuan Van, postdoktorandom u laboratoriji Sternberg.
„Proučavam navigaciju nematoda i ovaj projekat je duboko odjeknuo mojim specijalizovanim interesovanjem za trajektorije kretanja“, kaže Van, koji je takođe koautor na novom radu. Laboratorija Sternberg je godinama sprovodila istraživanje mehanizama navigacije nematode Caenorhabditis elegans, zemljišnog organizma veličine zrna pirinča koji se obično proučava u istraživačkim laboratorijama i stoga je imala mnogo alata za posmatranje i analizu kretanja mikroskopskih organizama.
Tim je brzo prešao sa teorijskog modeliranja na praktično eksperimentisanje, koristeći 3D štampane kateterske cevi i kamere velike brzine za praćenje napredovanja bakterija. Cevi sa trouglastim inkluzijama rezultirale su smanjenjem uzvodnog kretanja bakterija za dva reda veličine (100 puta smanjenje).
Tim je zatim nastavio sa simulacijama kako bi odredio najefikasniji trouglasti oblik prepreke koji bi sprečio bakterijsko plivanje uzvodno. Zatim su proizveli mikrofluidne kanale analogne uobičajenim kateterskim cevima sa optimizovanim trouglastim dizajnom za posmatranje kretanja bakterija E. coli u različitim uslovima protoka. Uočene putanje E. coli unutar ovih mikrofluidnih okruženja bile su skoro savršeno usklađene sa simuliranim predviđanjima.
Saradnja je rasla kako su istraživači imali za cilj da nastave da poboljšavaju dizajn geometrijske cevi. Stručnjaci za veštačku inteligenciju u laboratoriji Anandkumar obezbedili su projekat najsavremenijim metodama veštačke inteligencije nazvane neuronski operateri.
Ova tehnologija je bila u stanju da ubrza proračune optimizacije dizajna katetera tako da nisu zahtevali dane već minute. Dobijeni model je predložio podešavanja geometrijskog dizajna, dodatno optimizujući oblike trougla kako bi se sprečilo još više bakterija da pliva uzvodno. Konačni dizajn je poboljšao efikasnost početnih trouglastih oblika za dodatnih 5% u simulacijama.
„Naše putovanje od teorije do simulacije, eksperimenta i, konačno, do praćenja u realnom vremenu unutar ovih mikrofluidnih pejzaža je ubedljiva demonstracija kako se teorijski koncepti mogu oživeti, nudeći opipljiva rešenja za izazove u stvarnom svetu“, kaže Džou.
