Бактерии могут плыть против течения - и часто это представляет серьезную проблему, например, когда они распространяются в водопроводных трубах или в медицинских катетерах. Как им это удается, до сих пор неясно. Международная исследовательская группа, в которую входил Андреас Цеттль из Технического университета Вены (Вена), смогла ответить на этот вопрос: с помощью экспериментов и математических расчетов была найдена формула, описывающая все существенные аспекты этого удивительного поведения бактерий в движении. Это могло бы позволить предотвратить или, по крайней мере, замедлить распространение бактерий, сконструировав специальные поверхности пробирок. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications..
Между физикой и биологией
Многие виды бактерий, такие как бактерии кишечной палочки, которые часто могут представлять опасность для здоровья в воде, передвигаются с помощью маленьких хвостов жгутиков. «Это сильно отличается от движения рыбы», - говорит Андреас Цёттль из Института теоретической физики Венского технологического университета. «Рыбы чувствуют направление течения и могут решить плыть в определенном направлении. Бактерии намного проще. Их поведение можно объяснить очень простыми физическими законами».
Бактерии часто скапливаются на залитых жидкостью поверхностях - это может быть плохо очищенная душевая кабина, канализационная труба или даже катетер. «Поведение бактерий особенно интересно на таких поверхностях, - говорит Андреас Цёттль, - потому что оказывается, что именно там, непосредственно на поверхностях, бактерии часто мигрируют против течения. Поэтому они не смываются сточными водами, а движутся вверх по течению». Вместе с коллегами из Стэнфордского университета, Оксфордского университета и ESPCI в Париже Андреас Цёттль решил найти физическое объяснение этого эффекта.
Теория и эксперимент
Андреас Цёттль использовал математические методы: он рассчитал, как бактерия может выровняться и повернуться в текущей жидкости, как поток взаимодействует с движением жгутиков и какие возможности движения вытекают из этого. «Это приводит к тому замечательному результату, что существуют разные, четко различимые типы движения в зависимости от силы потока», - объясняет Андреас Цёттль.
В медленных течениях бактерии просто вращаются по кругу, в определенный момент они начинают двигаться против направления течения. При еще более сильных течениях они колеблются взад-вперед на поверхности или разделяются на две разные группы, которые движутся в разных направлениях. С помощью одной математической формулы можно объяснить целый ряд моделей движения бактерий.
В то же время в Париже были разработаны новые технологические методы измерения перемещений отдельных бактерий с помощью специально управляемых микроскопов - и эти измерения выявили точно такие же четко различимые типы движения, которые ранее показывали теоретические расчеты. «Это говорит нам о том, что наша теория верна», - говорит Андреас Цёттль. «Что особенно приятно в этом, так это то, что результаты очень надежные: они не зависят от каких-либо деталей, поэтому нашу формулу можно применять ко многим различным типам бактерий». Даже нити ДНК, плавающие в клеточной плазме, могут быть правильно описаны с помощью новой теории.
Команда надеется, что новое понимание движения бактерий позволит им найти методы, предотвращающие движение бактерий. «В будущем можно будет оснастить катетеры особой геометрической структурой поверхности, которая предотвратит миграцию бактерий против течения», - надеется Андреас Цёттль.