Исследовательская группа из Принстона определила бактерии, которые могут определять скорость течения жидкостей.
Многие типы клеток могут ощущать поток, так же как клетки нашей кожи могут чувствовать разницу между легким ветерком и сильным ветром. Но мы зависим от ощущения вовлеченной силы, отталкивания воздуха против нас. Без этого толчка мы не можем различить скорость; когда окна закрыты, наша кожа не чувствует никакой разницы в воздушной силе, сидим ли мы в офисе, в мчащейся машине или в крейсерском самолете. Но теперь группа исследователей из Принстона обнаружила, что некоторые бактерии могут фактически определять скорость потока независимо от силы. Их статья опубликована в онлайн-журнале Nature Microbiology.
«Мы разработали бактерии, чтобы они были спидометрами», - сказал Земер Гитаи, профессор биологии Эдвина Гранта Конклина из Принстона и старший автор статьи. «Здесь есть приложение: мы можем использовать эти бактерии в качестве датчиков потока. Если вы хотите узнать скорость чего-либо в режиме реального времени, мы можем вам это сказать».
Бактерия Pseudomonas aeruginosa со встроенным спидометром является вездесущим патогеном, который можно обнаружить внутри и на телах, в потоках воды, в почве и в больницах. Центр по контролю и профилактике заболеваний классифицирует Pseudomonas как «серьезную угрозу», вызывающую более 50 000 инфекций, связанных с оказанием медицинской помощи, в год, из которых 6 700 устойчивы к антибиотикам, а 440 - со смертельным исходом.
«В некоторых больницах хирурги используют химические дезинфицирующие средства - по сути, Purell - вместо того, чтобы чистить, потому что Pseudomonas любит расти в трубах», - сказал Гитай. На самом деле, Pseudomonas почти всегда окружена протекающими жидкостями, будь то ручей или любая из систем человеческого тела, которые связаны с потоком - кровоток, мочевыводящие пути, желудочно-кишечный тракт, даже легкие - или в водопроводных системах или медицинских учреждениях. оборудование, такое как катетеры, один из основных переносчиков послеоперационных инфекций.
"Это старые новости," сказал Гитай. «Мы обнаружили, что Pseudomonas не только сталкиваются с потоком, но и на самом деле могут ощущать этот поток и реагировать на него. Это большое дело. чувствуя, что они в потоке».
Джозеф Санфилиппо, научный сотрудник с докторской степенью в лаборатории Гитая, и Александр Лорестани, выпускник 2017 года, являются ведущими авторами статьи. Вместе они определили, что бактерии могут обнаруживать и даже измерять скорость потока близлежащих жидкостей, чтобы включить набор генов. Они назвали эти гены «вперед», что означает «оперон, регулирующий поток».
«Реакция Фро - это не просто включение-выключение, она на самом деле настроена на скорость», - сказал Санфилиппо. «Это больше похоже на диммер, чем на выключатель света».
Затем они биоинженерно сконструировали связь между fro и геном, который заставляет Pseudomonas светиться, так что генетический ответ fro можно было увидеть под микроскопом, тем самым создав визуальный спидометр в реальном времени. Чем быстрее поток, тем ярче свечение.
С помощью этого инструмента Санфилиппо смог определить диапазон скоростей, на которые реагирует Pseudomonas, и получил неожиданный результат: «Оказывается, они полностью совпадают с диапазоном скоростей жидкостей, которые известны в кровотоке и мочевыводящие пути, - сказал Гитай.
Учитывая микроскопический размер бактерий и проточные камеры размером с прядь волос, в которых они тестировались (50 микрон в высоту и 500 микрон в ширину), исследователи не измеряли скорость в традиционных милях в час (или метров в секунду) единиц, но вместо этого измеряли «скорость сдвига», скорость, с которой соседние слои жидкости проходят друг через друга. Это измеряется в единицах измерения «в секунду» без расстояния.
Они обнаружили, что fro не реагирует на скорость сдвига ниже 8 в секунду - медленнее, чем большинство жидкостей, находящихся в человеческом теле, - но что он настраивает свою реакцию на скорость сдвига между 40 и 400 в секунду, затем плато выше этого. Для справки, скорость сдвига в венах человека среднего размера составляет около 100 в секунду.
"Скорости, на которые реагирует fro, - это скорости, которые проходят через ваше тело прямо сейчас", - сказал Санфилиппо.
«Авторы объединяют свой опыт в области биоинженерии и биофизики (для изготовления этих изящных проточных камер) с передовой биологией (секвенирование РНК), чтобы понять некоторые фундаментальные вопросы микробиологии», - сказала Джоанн Энгель, руководитель отдела инфекционных заболеваний и профессор микробиологии и иммунологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско, который не участвовал в этом исследовании.
«Возможность объединять исследователей из разных областей помогает продвигать исследования новыми и творческими способами», - сказала она.«Поскольку этот сенсорный механизм, скорее всего, встречается во всей биологии, он может иметь широкое применение и даже может быть полезен для разработки новых лекарств (антибиотиков) для лечения бактериальных инфекций, особенно инфекций крови (таких как сепсис)».
Независимый от силы ответ
Санфилиппо и его коллеги первоначально предположили, что чувствительность Pseudomonas к потоку должна зависеть от его способности ощущать силу, точно так же, как все мы интуитивно понимаем, что рука, высунутая из окна автомобиля, будет ощущать большую силу, когда мы едем на более высокой скорости. скорости. По словам Гитаи, эта интуитивная связь между потоком и силой привела к повсеместному слепому пятну в полевых условиях.
«Другие исследователи обнаружили, что разные бактерии могут реагировать на поток жидкости, и они фактически предположили, что это была сила», - сказал Гитаи. «Интуиция была настолько сильна, что она должна быть силой, что на самом деле люди даже не удосужились это явно проверить».
Способ проверить это предположение предложил Говард Стоун, Дональд Р. Диксон '69 и Элизабет В. Диксон, профессор машиностроения и аэрокосмической техники и соавтор статьи. Стоун предложил эксперимент, который показал бы, реагируют ли бактерии на силу: поместите их в материалы разной вязкости или толщины, которые текут с одинаковой скоростью..
Если вы нальете на руку воду, а затем с той же скоростью нальете на нее мед, то более вязкий мед будет сильнее давить на вашу кожу, поэтому ваша рука почувствует большую силу. Санфилиппо провел эксперименты с жидкостями, в 10 раз более вязкими, чем среда по умолчанию, и обнаружил, что fro реагирует только на скорость сдвига, а не на силу более густых жидкостей.
«Проведение еще одного эксперимента - мы называем его экспериментом Говарда - действительно было ключевым», - сказал Санфилиппо. Это позволило исследователям окончательно заявить, что Pseudomonas настраивала свои реакции исключительно на скорость потока материалов, что никогда ранее не было задокументировано. Чтобы отличить это от других видов механического восприятия, которые были задокументированы у бактерий, команда ввела термин «реочувствование», или ощущение потока, для описания этого явления.
«Мы запускаем здесь мини-поле», - сказал Гитай. «Размышление о том, как бактерии живут в потоке, является совершенно неизученной областью. Мы бы хотели, чтобы люди посмотрели на это с другими бактериями. И, как мы сказали, в исследованиях млекопитающих было сильное предположение, что все зависит от силы - мы бы хотели, чтобы люди прочитали нашу статью, а затем вернулись к некоторым из этих предположений и изменили вязкость в своих системах».
До сих пор неясно, какую выгоду Pseudomonas получает от знания скорости окружающих ее жидкостей, сказал Гитай, но это, вероятно, связано с универсальностью патогена; он называет это швейцарским армейским ножом бактерий.
«Pseudomonas обладает огромным арсеналом различных способов атаки», - сказал Гитай.«Одна идея состоит в том, что он хочет знать, когда уместно использовать тот или иной инструмент из его арсенала. Если у вас есть ожог, и он просто сидит на вашей коже, возможно, гены, которые он может использовать, чтобы причинить вам боль, отличаются от генов, которые она могла бы причинить вам боль в мочевыводящих путях или в вашей крови. И в этом заключается большая идея, что - если антропоморфизировать ее - она может знать, есть ли вокруг поток, и это может помочь ему настроить свою реакцию на окружающую среду ».
В исследовательскую группу из Принстона также входили Матиас Кох, научный сотрудник Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера; Бенджамин Браттон, научный сотрудник в области молекулярной биологии; и Альберт Сирьяпорн, бывший научный сотрудник лаборатории Гитая, который сейчас является доцентом Калифорнийского университета в Ирвине.