Cik daudz spēka ražo baktērijas? Tagad tas ir izmērīts

Baktērijas migrē, izmantojot virkni ziņkārīgu ambulatoro mehānismu. Šīs migrācijas ļauj viņiem sekot upurim, veidot bioplēves un vienkārši apvienoties.

Un tas rada ziņkārīgu jautājumu. Ņemot vērā šo spēju pārvietoties, cik lielu spēku baktērijas rada, ejot? Citiem vārdiem sakot, cik smagi viņi var spiest?

Šodien mēs saņemam atbildi, pateicoties Džošua Šaevica, Benedikta Sabasa un Hovarda Stouna darbam Prinstonas universitātē. Šie puiši ir izstrādājuši metodi, kā izmērīt mazos iesaistītos spēkus, un parāda, ka grūšanas un grūšanas gadījumā baktērijas sita krietni virs sava svara.

Tipiska baktēriju šūna ir tikai dažus mikrometrus gara, un tās masa ir aptuveni 10-15 kilogrami. Smaguma spēka ietekmē viena šūna iedarbotu spēku aptuveni 10 femtoņūtonu. Tas nav viegli izmērāms spēks.

Shaevitz un viņa kolēģi to izmēģina, izmantojot tehniku, kas pazīstama kā vilces spēka mikroskopija. Tas ir balstīts uz novērojumu, ka baktērijas, pārvietojoties, deformē jebkuru mīksto materiālu ap tām. Tātad, izmērot šīs deformācijas, ir iespējams aprēķināt spēkus, kas aiz tām atrodas.

Eksperiments ietver baktēriju novietošanu uz mīksta želejveida materiāla un pēc tam ar mikroskopu, lai tās nofotografētu, kad tās pārvietojas. Attiecīgais materiāls ir plāns mīksta elastīga gēla slānis, kas izgatavots no hitozāna pārklājuma poliakrilamīda. Tam ir labi raksturotas materiāla īpašības, kas ļauj vienkārši aprēķināt, cik liels spēks ir nepieciešams, lai to deformētu.

Bet, ja deformācijas ir mazas, tās ir grūti pamanīt. Tātad gēla sastāvā ir arī divu dažādu krāsu mikropērlītes, kas materiālam deformējoties kustas un ir vieglāk pamanāmas. Šūnām pārvietojoties pa virsmu, jebkuras izmaiņas mikropērlīšu stāvoklī var izmantot, lai aprēķinātu šīs kustības izraisītās deformācijas.

Šaevics un kolēģi veic savus eksperimentus Myxococcus xanthus baktērijas, kas pārvietojas, izmantojot divus dažādus mehānismus. Pirmā ir sava veida slīdoša kustība, kurā šūnas membrāna, kas saskaras ar virsmu, darbojas kā tvertnes sliežu ceļš, radījumam pārvietojoties. Viena slīdošā šūna rada tikai dažu pikoņūtonu (10–12 ņūtonu) spēkus, ar ko diez vai pietiek, lai deformētu gēlu. Mēs secinām, ka atsevišķu šūnu slīdēšana ir zemas berzes process, kas gandrīz mehāniski neietekmē vidi, saka Shaevitz un co.

tomēr Myxococcus xanthus ir cits, jaudīgāks pārvietošanās veids. Tas ir sava veida satvērēja-āķa mehānisms, kurā katra šūna rada mazus matiņiem līdzīgus izciļņus, ko sauc par pili, kas sniedzas uz priekšu un piestiprinās pie virsmas. Ritinot pilienus, baktērijas velk sevi līdzi ar ātrumu aptuveni viens mikrometrs sekundē vai aptuveni viens ķermeņa garums sekundē.

Šajā gadījumā Shaevitz un kolēģi saka, ka vidējais spēks, ko rada viena šūna, ir aptuveni 50 pikoņūtonu, kas ir 10 reizes lielāks nekā slīdošai kustībai.

Turklāt baktērijas parasti pārvietojas grupās, tāpēc to kolektīvie spēki var būt daudz lielāki. Mērījumi liecina, ka baktēriju grupas iedarbojas vairāk nekā 100 pikoņūtonu.

Tas ir interesants darbs, kas atklāj vismaz dažas baktēriju iespējas kā lokomotīvju mašīnas.

Tomēr joprojām ir būtiski neatbildēti jautājumi. Piemēram, šāda veida vilces spēka mikroskopijas izšķirtspēja ir aptuveni 0,5 mikrometri, kas nozīmē, ka deformācijas, kas ir mazākas par šo, nevar izmērīt. Tātad šis paņēmiens izlaiž nekādu dinamiku, kas rodas mazākā mērogā.

Ir arī daudz citu noslēpumu, kas saistīti ar baktēriju kustību. Piemēram, neviens nezina, kāpēc Myxococcus xanthus uz mīksta agara var pārvietoties ātrāk nekā uz stīvā agara. Bet šāda veida darbam vajadzētu palīdzēt atklāt atbildes.

Turklāt interesants jautājums ir par to, kā izmantot baktēriju kustību. Ja šī kustība rada spēkus, kāpēc gan tos neizmantot, lai nospiestu sviras, darbinātu slēdžus, pagrieztu kāmja riteņus, pārvadātu kravu un tamlīdzīgi? Nav grūti iedomāties īstu baktēriju aktivitātes Disnejlendu.

Protams, šāda mēroga mašīnas darbojas pilnīgi citādi nekā cilvēka mērogā — inerces spēki kļūst nenozīmīgi, savukārt citi efekti, piemēram, van de Vāla spēki, kļūst ārkārtīgi svarīgi. Tas ir kaut kas, ko mikroelektromehānisko ierīču dizaineri jau sen ir zinājuši — varbūt viņi varētu palīdzēt?

Patiešām, nevar iedomāties, ka migrējošo baktēriju kolektīvie spēki kādu dienu varētu tikt izmantoti, lai veiktu noderīgu darbu mikrometru skalā.

Atsauce: arxiv.org/abs/1701.00524 : kolektīvo spēku ģenerēšana migrējošo baktēriju grupās

paslēpties