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Jun 14, 2023

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Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2613 (2023) Citare questo articolo

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La crescita della colonia microbica è guidata dall'attività delle cellule situate ai bordi della colonia. Tuttavia, questo processo non è visibile a meno che non venga eseguita una colorazione o una sezione trasversale specifica della colonia. La tecnologia di imaging speckle è un metodo non invasivo che consente la visualizzazione delle zone di maggiore attività microbica all'interno della colonia. In questo studio è stata utilizzata la tecnica di imaging laser speckle per registrare la crescita delle colonie microbiche. Questo metodo è stato testato su tre diversi microrganismi: Vibrio natriegens, Escherichia coli e Staphylococcus aureus. I risultati hanno mostrato che il sistema di analisi delle macchie non solo è in grado di registrare la crescita della colonia microbica ma anche di visualizzare l’attività di crescita microbica in diverse parti della colonia. La tecnica di imaging speckle sviluppata visualizza la zona di "più alta attività microbica" che migra dal centro alla periferia della colonia. I risultati confermano l’accuratezza dei precedenti modelli di crescita delle colonie e forniscono algoritmi per l’analisi dell’attività microbica all’interno della colonia.

La crescita delle dimensioni delle colonie viene utilizzata come criterio per caratterizzare l'attività microbica sui terreni agarizzati. La crescita delle dimensioni delle colonie viene solitamente monitorata registrando immagini dal vivo in momenti diversi e confrontando le dimensioni delle colonie. Adottando questa tecnica di imaging, le immagini vengono ottenute tramite fotocamere ad alta risoluzione o scanner piani1,2. Il tempo di rilevamento critico, la dimensione della colonia, il tasso di crescita e la dimensione massima della colonia sono i parametri che possono essere quantificati utilizzando i metodi di imaging dal vivo esistenti.

Esistono diversi modelli che descrivono la crescita delle colonie3,4,5. In molti modelli, la crescita delle colonie microbiche è descritta come non uniforme: la crescita delle colonie dipende dalle zone attive dei microbi che, a loro volta, dipendono dall’apporto di nutrienti da parte dei terreni. Ad esempio, la crescita microbica ai margini della colonia è più attiva che al centro a causa del costante apporto di nutrienti dai mezzi circostanti o della costante spinta delle cellule su quelli laterali. La struttura microscopica della colonia supporta molte di queste ipotesi. Le cellule al centro della colonia di lievito smettono di proliferare e perdono vitalità mentre le cellule ai margini della stessa colonia sono vive e continuano a crescere (proliferando)6. Le differenze nell'attività microbica nelle diverse parti della colonia non possono essere visualizzate con precisione con i metodi di imaging dal vivo esistenti. Attualmente, le diverse attività microbiche all'interno delle colonie possono essere esplorate solo con procedure invasive: sezione trasversale delle colonie e colorazione della vitalità6.

Uno schema di interferenza creato dalla luce coerente riflessa o diffusa da diverse parti della superficie illuminata è una macchiolina laser. Se un oggetto irradiato con macchie laser non cambia le proprietà di diffusione nel tempo, anche l'immagine macchiettata non cambierebbe. Se gli elementi di dispersione si muovono spontaneamente (ad esempio, moto browniano), alcune macchioline iniziano a cambiare (forma, intensità). Il cambiamento nelle proprietà di diffusione degli oggetti crea una macchiolina variabile nel tempo. Ciò significa che eventi o influenze esterne, nonché processi che si verificano direttamente sulla superficie misurata, possono portare a cambiamenti nelle immagini speckle7. Per quanto riguarda questo fenomeno, la tecnica di imaging con macchie laser si è rivelata utile nel monitorare l'attività microbica in mezzi otticamente disomogenei analizzando modelli di macchie laser variabili nel tempo.

La tecnica di imaging laser speckle è una tecnologia emergente per le analisi mediche e di sicurezza alimentare. Consente il rilevamento precoce della crescita microbica8, l'identificazione di infezioni fungine nei frutti delle mele9 e la misurazione del flusso sanguigno periferico nei pazienti con sclerosi10.

In questo studio, la tecnica di imaging speckle è stata utilizzata per registrare la crescita e le caratteristiche strutturali della colonia microbica. I risultati hanno mostrato che il sistema di analisi speckle sviluppato è in grado non solo di registrare la crescita di una colonia microbica ma anche di visualizzare l’attività di crescita microbica nelle diverse parti della colonia. L'imaging maculato rivela che la crescita della colonia è guidata dalla proliferazione cellulare sui bordi piuttosto che sul centro. I risultati confermano l’accuratezza dei precedenti modelli di crescita delle colonie e forniscono algoritmi per l’analisi dell’attività microbica all’interno della colonia.