Гибкий хвост позволяет плавающим бактериям разжижать окружающую жидкость и освобождаться, когда они застревают у стен или препятствий. Это открытие может повлиять на то, как контролируется рост бактерий на медицинских, промышленных и сельскохозяйственных поверхностях. В новом исследовании ученых из Университета штата Пенсильвания, опубликованном в недавнем выпуске журнала Королевского общества Interface, использовались математические модели, чтобы понять, как бактерии с жгутиками - набором вращающихся волосков, используемых для движения, которые действуют вместе как хвост, - преодолевают силы от поток жидкости и ориентироваться в сложных средах.
«Бактерии - самые распространенные организмы на планете, и их часто можно найти в жидкостях», - сказал Михаил Потомкин, научный сотрудник по математике в Пенсильванском университете и автор исследования. «Из недавних экспериментальных исследований мы знаем, что бактерии могут снижать эффективную вязкость - внутреннее трение - раствора, что помогает им двигаться легче.
«В растворах, где концентрация бактерий велика, это происходит из-за коллективного движения бактерий, эффективно разжижающих раствор, но снижение вязкости наблюдалось и в разбавленных растворах, где бактерий меньше», - добавил Потомкин. «Этот эффект был объяснен кувырканием бактерий - случайными изменениями направления движения бактерий - но аналогичное снижение вязкости также было зарегистрировано у штаммов бактерий, которые не совершают такого акробатического поведения. Наша работа предполагает, что жгутики бактерий могут быть ответственны за это.."
Используя математическую модель, исследовательская группа продемонстрировала, что гибкие жгутики позволяют бактериям преодолевать локальные силы между молекулами, снижая вязкость и эффективно разжижая жидкость. Это понимание может иметь важные последствия для создания биомиметических материалов - искусственных материалов, имитирующих биологию, - для изменения свойств растворов в биомедицинских или промышленных целях.
«Чтобы понять, можем ли мы контролировать вязкость раствора, нам нужно понять, как бактерии контролируют ее», - сказал Потомкин. «Жгутики играют ключевую роль в этом контроле. Мы также исследовали, как бактерии используют жгутики для перемещения в более сложной среде, введя в нашу модель стены. Бактерии имеют тенденцию скапливаться на стенах или препятствиях, и они часто застревают, плавая вдоль стен. Мы продемонстрировали, что наличие гибких эластичных жгутиков может иногда помочь бактериям избежать такой ловушки, например, когда питательные вещества добавляются в раствор и увеличивают подвижность бактерий».
Бактерии, которые скапливаются на биомедицинских устройствах (например, катетеры), промышленных и сельскохозяйственных трубах и стоках в виде биопленок, трудно удаляются и могут быть устойчивы к биоцидам и антибиотикам. Понимание того, как бактерии могут выходить из стен, может в конечном итоге дать информацию о способах контроля или предотвращения образования этих часто повреждающих биопленок. Еще одним приложением может быть возможность разработки более эффективных способов улавливания бактерий, например, для определения типов бактерий в жидкости или их фильтрации.
"Наши результаты показывают, что если вы хотите ловить бактерии, простых ловушек может быть недостаточно", - сказал Игорь Аронсон, заведующий кафедрой Хака и профессор биомедицинской инженерии, химии и математики в Пенсильванском университете и старший автор. на бумаге. «Нам нужно создать что-то более сложное. Использование эластичных жгутиков - это один из способов, которым подвижные бактерии реагируют на окружающую среду, чтобы выжить в суровых условиях».
Помимо Потомкина и Аронсона, в исследовательскую группу входят Леонид Берлянд, профессор математики в Пенсильванском университете, и Магали Турнус, научный сотрудник Пенсильванского университета во время исследования и нынешний преподаватель Экс-Марсельского университета во Франции.. Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения и поддерживалось Министерством энергетики США и Институтом наук о жизни им. Хака.