Jaką siłę wytwarzają bakterie? Teraz to zostało zmierzone

Bakterie migrują za pomocą szeregu ciekawych mechanizmów ambulatoryjnych. Te migracje pozwalają im podążać za zdobyczą, tworzyć biofilmy i po prostu agregować.

A to rodzi ciekawe pytanie. Biorąc pod uwagę tę zdolność do poruszania się, ile siły wytwarzają bakterie w trakcie przemieszczania się? Innymi słowy, jak mocno mogą naciskać?

Dzisiaj otrzymujemy odpowiedź dzięki pracy Joshuy Shaevitza, Benedikta Sabass i Howarda Stone'a z Princeton University. Ci faceci opracowali metodę mierzenia małych sił i pokazują, że jeśli chodzi o pchanie i pchanie, bakterie uderzają znacznie powyżej swojej wagi.

Typowa komórka bakteryjna ma zaledwie kilka mikrometrów długości i masę około 10-15 kilogramów. Pod wpływem siły grawitacji pojedyncza komórka wywarłaby siłę około 10 femtonewtonów. To nie jest łatwa do zmierzenia siła.

Shaevitz i wsp. próbują tego dokonać, stosując technikę znaną jako mikroskopia sił trakcyjnych. Opiera się to na obserwacji, że bakterie deformują każdy miękki materiał wokół siebie podczas ruchu. Zatem mierząc te odkształcenia, można obliczyć stojące za nimi siły.

Eksperyment polega na umieszczeniu bakterii na miękkim, podobnym do żelu materiale, a następnie sfotografowaniu ich pod mikroskopem, gdy się poruszają. Materiał, o którym mowa, to cienka warstwa miękkiego, elastycznego żelu z poliakrylamidu pokrytego chitozanem. Ma to dobrze scharakteryzowane właściwości materiału, co ułatwia obliczenie, jaka siła jest potrzebna do jego odkształcenia.

Ale kiedy deformacje są niewielkie, trudno je dostrzec. Tak więc żel zawiera również mikrogranulki w dwóch różnych kolorach, które poruszają się wraz z deformacją materiału i są lepiej widoczne. Gdy komórki poruszają się po powierzchni, każda zmiana położenia mikrokulek może być wykorzystana do obliczenia deformacji powodowanych przez ten ruch.

Shaevitz i spółka przeprowadzają swoje eksperymenty na Myxococcus xanthus bakterie, które poruszają się za pomocą dwóch różnych mechanizmów. Pierwszy to rodzaj ruchu ślizgowego, w którym błona komórkowa w kontakcie z powierzchnią działa jak tor czołgu, gdy stworzenie się porusza. Pojedyncza komórka poślizgowa wytwarza siły rzędu zaledwie kilku pikonewtonów (10-12 Newtonów), co z trudem wystarcza do odkształcenia żelu. Doszliśmy do wniosku, że poślizg pojedynczych komórek jest procesem o niskim współczynniku tarcia, który prawie nie wpływa mechanicznie na środowisko, mówią Shaevitz i spółka.

Jednakże, Myxococcus xanthus mieć inny, potężniejszy sposób poruszania się. Jest to rodzaj mechanizmu z chwytakiem, w którym każda komórka wytwarza małe włoskowate wypukłości zwane pili, które sięgają do przodu i przyczepiają się do powierzchni. Zawijając pilusy, bakterie poruszają się z prędkością około jednego mikrometra na sekundę lub około jednej długości ciała na sekundę.

W tym przypadku Shaevitz i wsp. twierdzą, że średnia siła generowana przez pojedynczą komórkę wynosi około 50 pikonewtonów — to 10 razy więcej niż w przypadku ruchu ślizgowego.

Co więcej, bakterie na ogół poruszają się w grupach, więc ich zbiorowe siły mogą być znacznie większe. Pomiary pokazują, że grupy bakterii wywierają siłę ponad 100 pikonewtonów.

To interesująca praca, która ujawnia przynajmniej niektóre możliwości bakterii jako maszyn lokomotywy.

Jednak nadal istnieją istotne pytania bez odpowiedzi. Na przykład rozdzielczość tego rodzaju mikroskopii sił trakcyjnych wynosi około 0,5 mikrometra, co oznacza, że ​​nie można zmierzyć mniejszych odkształceń. Tak więc ta technika pomija jakąkolwiek dynamikę, która występuje na mniejszą skalę.

Istnieje również wiele innych tajemnic związanych z ruchem bakterii. Na przykład nikt nie wie dlaczego Myxococcus xanthus porusza się szybciej na miękkim agarze niż na sztywnym agarze. Ale tego rodzaju praca powinna pomóc w znalezieniu odpowiedzi.

Poza tym interesującym pytaniem jest, jak wykorzystać ruch bakterii. Jeśli ten ruch generuje siły, dlaczego nie użyć ich do pchania dźwigni, obsługi przełączników, obracania kół chomika, przewożenia ładunku i tak dalej? Nietrudno wyobrazić sobie istny Disneyland aktywności bakterii.

Oczywiście, maszyny na tę skalę działają w zupełnie inny sposób niż na skalę ludzką — siły bezwładności stają się nieistotne, podczas gdy inne efekty, takie jak siły van de Waala, stają się niezwykle ważne. To coś, o czym projektanci urządzeń mikroelektromechanicznych wiedzieli od dawna — może mogliby pomóc?

Rzeczywiście, nie jest poza wyobrażeniem, że zbiorowe siły migrujących bakterii mogą pewnego dnia zostać wykorzystane do przeprowadzenia użytecznej pracy w skali mikrometrowej.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1701.00524 : Kolektywne generowanie sił przez grupy migrujących bakterii

ukryć