Под угрозой уничтожения дезинфицирующим средством отдельные бактерии могут улучшить свои шансы на выживание, объединяясь вместе, образуя колонии, называемые биопленками. Что Арнольд Матийссен, постдокторант в области биоинженерии в Стэнфордском университете, хотел понять, как стационарные биопленки находят пищу после того, как они поглотили близлежащие питательные вещества.
Возглавляя международную группу исследователей по моделированию движения жидкостей, Матийссен обнаружил, что отдельные бактерии и биопленки могут генерировать потоки, достаточно сильные, чтобы вытягивать питательные вещества издалека.
В своей работе, опубликованной 11 декабря в журнале Physical Review Letters, исследователи смогли найти предсказуемые закономерности движения жидкостей на основе общих форм биопленок. Это понимание может найти применение во многих областях.
«Физические свойства микрогидродинамики очень универсальны», - сказал Матийссен, работающий в лаборатории Ману Пракаша, адъюнкт-профессора биоинженерии. «Мы говорили о бактериях, но мы могли бы заменить слово «организм» на «микроробот», и физика была бы точно такой же».
Начнем с простого
Когда бактерии двигаются, они воздействуют на жидкости, которые окружают их в микроскопическом мире. Исследователи изучили силу этого нарушения у одной бактерии, которая движется так же, как и многие патогенные виды, включая те, которые вызывают гастрит и холеру. Они обнаружили, что, когда эта бактерия плывет вперед, она создает крошечный, но стабильный поток в окружающей жидкости, при этом жидкость движется к ее центру и от головы и хвоста.
Затем они рассчитали потоки, создаваемые колонией случайно расположенных бактерий, и были удивлены, увидев, что это создает сильный, постоянный прилив, способный втягивать питательные вещества. Это происходило независимо от ориентации каждой бактерии, пока колония была толще в одних областях, чем в других, что приводит к перемещению жидкости из высоких точек в низкие. Моделирование более упорядоченных бактерий привело к еще более сильной циркуляции.
В организованных биопленках исследователи обнаружили два общих типа движения: вихри и звезды. По типу вихря бактерии движутся по концентрическим кругам и создают поток, который приносит питательные вещества к центру биопленки, а затем выталкивает жидкость по бокам. По схеме «астра» бактерии движутся к центральной точке, создавая поток, который движется от края биопленки до тех пор, пока он не поднимается обратно над центром.
«Сильное в этом то, что вы можете добавлять эти шаблоны», - сказал Матийссен.«Вместо того, чтобы знать положение и ориентацию каждой отдельной бактерии, вам нужно знать только основные закономерности, из которых состоит колония, и тогда очень легко получить общий транспортный поток».
Исследователи смогли объединить вихревые и астральные узоры в одной биопленке, чтобы определить, как бактерии будут толкать, тянуть и закручивать жидкости вокруг себя. В качестве последнего теста исследователи провели расчеты, представляющие сложное, реалистичное движение роя бактерий - как они могли бы находиться на поверхности стола - и предсказали силу транспортного потока этого роя. В результате образовались большие вихри, охватывающие расстояния за пределами биопленки, подходящие для поддержания питания колонии.
Видеть, что спрятано
Эта работа началась с простого любопытства относительно невидимого потока жидкости вокруг бактерий. Но то, что открыли исследователи, может быть весьма практичным - например, указать способы отключения источника пищи инфекционной биопленки. Более того, поскольку оно учитывает только форму и движение бактерий, исследование также может применяться к неодушевленным объектам, таким как синтетические механизмы доставки лекарств или микророботы..
«Это началось как относительно фундаментальная проблема, но оказалось, что она более актуальна для биомедицинских приложений, чем мы могли бы предсказать», - сказал Матийссен. «Вот что меня волнует: мы только что наткнулись на идею, которая из-за любопытства повела нас совсем в другом направлении, чем то, откуда мы начали, и то, что мы обнаружили, имеет большой потенциал».