Większość komórek bakteryjnych jest w stanie wykorzystać zarówno planktonowy (wolno żyjący), jak i powierzchniowy (siedzący) tryb wzrostu 1. W trybie wzrostu przyczepionego do powierzchni komórki bakteryjne wydzielają i otaczają się dużymi ilościami zewnątrzkomórkowych substancji polimerowych (EPS), tworząc biofilmy. EPS składa się głównie z białek, egzopolisacharydu, zewnątrzkomórkowego DNA i jest niezbędny do tworzenia biofilmu 2. Służy jako fizyczne rusztowanie, za pomocą którego bakterie mogą różnicować się przestrzennie i chroni bakterie przed szkodliwymi warunkami środowiskowymi i reakcjami gospodarza. Różne składniki EPS odgrywają różne role w tworzeniu biofilmu 3, a zmiany w ekspresji składników EPS mogą radykalnie przemodelować struktury biofilmu 4. Składniki EPS mogą również funkcjonować jako cząsteczki sygnałowe 5, a ostatnie badania wykazały, że niektóre składniki EPS wchodzą w interakcje z komórkami drobnoustrojów, kierując ich migracją i różnicowaniem biofilmu 6-8.
Badania nad EPS znacznie posunęły się naprzód w oparciu o analizy morfologiczne biofilmów wytwarzanych przez mutanty wadliwe w określonym składniku EPS 9,10. Ponadto EPS jest zwykle charakteryzowany w skali makro (charakterystyka masowa) 11. W analizach morfologicznych może jednak brakować szczegółów ilościowych, a charakterystyka masowa, która zwraca wartości średnie, gubi szczegóły, które istnieją w niejednorodności biofilmu. Obecnie obserwuje się rosnącą tendencję do przechodzenia do charakterystyki właściwości mechanicznych EPS w czasie rzeczywistym w skali mikro. Protokół ten pokazuje, w jaki sposób mikroreologia śledząca cząstki jest w stanie określić czasoprzestrzenny wpływ egzopolisacharydów składników matrycy Pel i Psl na lepkosprężystość i skuteczne sieciowanie biofilmów Pseudomonas aeruginosa 4.
Pasywna mikroreologia to prosta i tania metoda reologii, która zapewnia najwyższą do tej pory przepustowość przestrzennego pobierania próbek mikroreologicznych materiału 12,13. W mikroreologii pasywnej kulki sondy umieszcza się w próbce, a ich ruch Browna, napędzany energią cieplną (k, B, T), jest śledzony przez mikroskopię wideo. Kilka cząstek może być śledzonych jednocześnie, a współrzędne zależne od czasu cząstek podążają za konwencjonalnym losowym spacerem. Dlatego średnio cząstki pozostają w tej samej pozycji. Jednak odchylenie standardowe przemieszczeń lub średnie przemieszczenie kwadratowe (MSD) cząstek nie jest równe zeru. Ponieważ płyny lepkie płyną, cząstka MSD w lepkim płynie rośnie liniowo w miarę upływu czasu. W przeciwieństwie do tego, usieciowanie polimerowe znajdujące się w substancjach lepkosprężystych lub elastycznych pomaga im opierać się przepływowi, a cząstki stają się ograniczone w swoim przemieszczeniu, co prowadzi do plateau na krzywej MSD (rysunek 1A). Obserwacja ta jest zgodna z zależnością MSD∝tα , gdzie α jest wykładnikiem dyfuzyjnym, czyli powiązanym stosunkiem sprężystych i lepkich wkładów substancji. Dla cząstek poruszających się w lepkich cieczach α = 1, w substancjach lepkosprężystych 0 < α < 1, a w substancjach elastycznych α = 0. MSD może być również wykorzystany do obliczenia podatności na pełzanie, czyli tendencji materiału do trwałego odkształcania się w czasie i oszacowania, jak łatwo materiał się rozprzestrzenia.
Wielkość, gęstość i chemia powierzchni cząstki są kluczowe dla prawidłowego przeprowadzenia eksperymentu mikroreologicznego i są wybierane w odniesieniu do badanego systemu (w tym przypadku polimery matrycy biofilmu, patrz Rysunek 1B). Po pierwsze, cząstka mierzy reologię substancji o strukturach, które są znacznie mniejsze niż sama cząstka. Jeśli struktury substancji mają podobną skalę do cząstki, ruch cząstki jest zaburzony przez kształt i orientację poszczególnych struktur. Jeśli jednak struktury otaczające cząstkę są znacznie mniejsze, efekt ten jest niewielki i uśredniony, co daje jednorodne środowisko dla cząstki (rysunek 1B). Po drugie, gęstość cząstki powinna być zbliżona do podłoża (1,05 g ml-1 dla pożywki na bazie wody), tak aby uniknąć sedymentacji, a siły bezwładności były znikome. Większość cząstek z kratami polistyrenowymi spełnia powyższe kryteria. W idealnej sytuacji cząstka nie oddziałuje z polimerami matrycy biofilmu, ponieważ reologiczna interpretacja MSD cząstki jest ważna tylko wtedy, gdy ruch jest losowy, napędzany energią cieplną i zderzeniem ze strukturami substancji. Można to zaobserwować, sprawdzając, czy cząstka sondy ma tendencję do wiązania się lub odbijania od powierzchni wcześniej wyhodowanego biofilmu. Jednak pomimo braku przyciągania do biofilmu, cząstki muszą być w stanie zostać włączone do matrycy. Ponadto niejednorodność fizykochemiczna biofilmu może spowodować, że różne cząstki będą bardziej odpowiednie jako sondy w różnych regionach biofilmu. W związku z tym do biofilmu należy nanieść cząstki o różnych rozmiarach i chemii powierzchniowej.
Jako takie, MSD cząsteczek jest w stanie dostarczyć użytecznych informacji na temat tego, jak różne składniki przyczyniają się do reologii i rozprzestrzeniania się biofilmu. Co więcej, zastosowanie różnych sond pozwala na uzyskanie informacji na temat przestrzennej niejednorodności fizykochemicznej biofilmu. Metodę tę można zastosować do zbadania wpływu leczenia przeciwdrobnoustrojowego na właściwości mechaniczne biofilmu lub zastosować do biofilmów mieszanych gatunków w celu zbadania, w jaki sposób właściwości mechaniczne biofilmu zmieniają się po wprowadzeniu innego gatunku. Zaburzenia układu mięśniowo-szkieletowego mogą być również przydatne do charakteryzowania dyspersji biofilmu. Takie badania byłyby pomocne w naszym zrozumieniu biofilmów, potencjalnie poprawiając metody leczenia biofilmów i inżynierii biofilmów w celu uzyskania użytecznych działań.