Studerer svømmemønstre af bakterier nær overflader

Et team af forskere ved Université Côte d'Azur og Center Scientifique de Monaco har for nylig gennemført en undersøgelse, der har til formål at bedre forstå bakteriernes svømmemønstre på overfladen. Deres papir, udgivet i Naturfysik , kunne kaste lys over, hvordan bakterier udforsker overflader, hvordan de søger efter værtsceller, og hvordan de inficerer disse celler.

Bakterier bevæger sig ofte nær overfladen af ​​vand eller vandige stoffer, som opstår af flere årsager. Først, næringsstoffer i vandige miljøer ophobes typisk på deres overflade. Ud over, værtsceller, som er særligt modtagelige for at blive smittet af patogene bakterier, sidder også på, eller er en del af, en overflade (dvs. et cellevæv).

Forskere har undersøgt bakteriernes nærliggende svømmemønstre i flere år. Tidligere undersøgelser tyder på, at disse mønstre bestemmes af hydrodynamiske interaktioner mellem bakterier og overfladen, de navigerer, som i sidste ende fælder bakterierne i glatte cirkulære baner, der fører til ineffektiv overfladeudforskning.

Fysikforskning i bakteriernes overfladesvømmemønstre tyder på, at en individuel bakterie oplever en tiltrækning mod overfladen, samt et effektivt drejningsmoment forårsaget af rotation af flagellærbundtet, som tvinger den til at bevæge sig i cirkler. Denne veldokumenterede observation kan forklares ved grundlæggende fysiske principper.

Når man overvejer billedet malet af disse observationer, imidlertid, det er svært at forstå, hvordan bakterier er i stand til at overleve, da deres hydrodynamiske nær-overflade-interaktioner ser ud til at være en alvorlig hindring for deres overlevelse. Hvad der gør deres udholdenhed under sådanne ugunstige omstændigheder endnu mere forvirrende er det faktum, at i evolutionære termer, bakterier skal let kunne udforske overflader for at finde næringsstoffer og/eller lokalisere koloniseringssteder.

"Vi var meget fascinerede af disse spørgsmål og mistanke om, at denne reduktionistiske væskemekaniske tilgang ikke kunne være hele historien, "Fernando Peruani, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vi troede, at bakterier burde kunne klare dette handicap:at blive fanget i en cirkulær bane er bestemt ikke en effektiv måde at udforske en overflade på. Med denne idé i tankerne, Vi besluttede at studere, hvordan forskellige bakteriearter bevæger sig på overflader med det formål at forstå, hvordan overfladeudforskning faktisk udføres. "

Peruanis og hans kollegers arbejde er en del af et bredere projekt med det formål at bedre forstå, hvordan patogene bakterier inficerer værtsceller. I deres seneste undersøgelse, de brugte videomikroskopi og sporede bakterier i et relativt stort observationsvindue, for at opnå lange bakteriebaner. De analyserede senere statistikkerne over disse baner for nøje at observere bakteriernes svømmemønstre nær overfladen.

"De pludselige ændringer i den hastighed, bakterierne viser, som indikerede, at bakterier stoppede periodisk, fascinerede os med det samme, "Sagde Peruani." Vi kiggede derefter på fordelingen af ​​gange, hvor bakterier bevægede sig og ikke bevægede sig og forstod, at hvis en Markov -kædeformalisme blev brugt til at beskrive dataene, tre stater var påkrævet. Denne observation spillede en central rolle i vores forskning. "

Efterfølgende, forskerne genbesøgte de data, de havde indsamlet og analyserede de perioder, hvor bakterierne var 'stoppet'. De observerede, at bakterier ofte var knyttet til overfladen og snurrede rundt om en af ​​spidserne i cellelegemet.

"Beviserne var klare:bakterier udforskede overfladen ved at udføre forbigående vedhæftningshændelser, "Peruani sagde." Det næste trin var at konstruere en teori for en svømmer, der har en intern tilstand, kontrolleret af en Markov -kæde, der vedtager tre mulige værdier, hver af dem er forbundet med en anden bevægelsesligning. Dette var en teknisk udfordring, men indsatsen gav pote. "

Teorien udviklet af Peruani og hans kolleger tillod dem at konkludere, at hyppigheden, hvor de observerede 'stop' forekom, langt fra var tilfældig. I stedet for at hindre bakteriens aktivitet, denne frekvens syntes at maksimere deres overfladeudforskning.

Undersøgelsen udført af dette team af forskere førte til to meget vigtige observationer. For det første, forskerne indså, at bakterier bruger forbigående vedhæftning som en mekanisme til at regulere overfladeudforskning. For det andet, de observerede eksistensen af ​​en optimal stopfrekvens, hvilket maksimerer overfladeudforskning. Enteroheamorrhagic E. coli (EHEC) og andre patogene bakterier ser ud til at kunne indstille denne frekvens til dens optimale værdi.

"Disse to observationer giver en bedre forståelse af, hvordan bakterier udforsker overflader, hvilket er et nødvendigt trin for at belyse, hvordan de søger efter værtsceller, og hvordan bakterier inficerer dem, "Peruani sagde." En vigtig besked fra denne undersøgelse er, at en fysisk forståelse af, hvordan bakterier bevæger sig på overflader, ikke udelukkende kan baseres på hydrodynamiske interaktioner. Adhæsionsinteraktioner spiller også en afgørende rolle. I øvrigt, det er samspillet mellem adhæsion og flagellarbundtets aktivitet, der gør det muligt for bakterier at orientere sig og flygte fra de cirkulære fælder, der pålægges af hydrodynamiske interaktioner. "

Observationerne indsamlet af Peruani og hans kolleger giver værdifuld ny indsigt i bakteriernes veldokumenterede svømmemønstre nær overfladen. Forskerne planlægger nu yderligere undersøgelser med det formål at forstå, hvordan patogene bakterier søger efter og inficerer værtsceller. For forskellige bakteriearter, de forventer at observere forskellige søge- og koloniseringsstrategier. Imidlertid, de har også mistanke om, at antallet af strategier, de vil observere, vil være betydeligt mindre end antallet af eksisterende arter af patogene bakterier.

"En kvantitativ, fysisk forståelse af bakterielle infektioner, som stadig mangler, kan give tip om, hvordan man forhindrer bakterielle infektioner, "Peruansk tilføjet." Vores undersøgelse, for eksempel, angiver, at overfladeadhæsion spiller en afgørende rolle i overfladeudforskning. På den anden side, overfladevedhæftning afhænger af bakteriens specifikke adhæsiner, såvel som på overfladens fysiske egenskaber, og vi vil helt sikkert prøve at tænke på måder at ændre disse fysiske egenskaber på. "

© 2019 Science X Network