Ett team av forskare vid Université Côte d'Azur och Center Scientifique de Monaco har nyligen genomfört en studie som syftar till att bättre förstå bakteriernas simmönster nära ytan. Deras papper, publicerad i Naturfysik , kan belysa hur bakterier utforskar ytor, hur de söker efter värdceller och hur de infekterar dessa celler.

Bakterier rör sig ofta nära ytan av vatten eller vattenhaltiga ämnen, som uppstår av flera skäl. Först, näringsämnen i vattenhaltiga miljöer ackumuleras vanligtvis vid deras yta. Dessutom, värdceller, som är särskilt mottagliga för att bli smittade av patogena bakterier sitter också på, eller är en del av, en yta (dvs. en cellvävnad).

Forskare har undersökt bakteriernas nära ytliga simmönster i flera år. Tidigare studier tyder på att dessa mönster bestäms av hydrodynamiska interaktioner mellan bakterier och ytan de navigerar, som i slutändan fångar bakterierna i släta cirkulära banor som leder till ineffektiv ytutforskning.

Fysikforskning i bakteriernas simmönster nära ytan tyder på att en enskild bakterie upplever en attraktion mot ytan, liksom ett effektivt vridmoment orsakat av rotation av flagellbunten, som tvingar den att röra sig i cirklar. Denna väldokumenterade observation kan förklaras med grundläggande fysikprinciper.

När man överväger bilden målad av dessa observationer, dock, det är svårt att förstå hur bakterier kan överleva, eftersom deras hydrodynamiska nära-ytinteraktioner verkar vara ett allvarligt hinder för deras överlevnad. Vad som gör deras uthållighet under sådana ogynnsamma omständigheter ännu mer förvirrande är det faktum att i evolutionära termer, bakterier bör enkelt kunna utforska ytor för att hitta näringsämnen och/eller för att lokalisera koloniseringsställen.

"Vi var mycket fascinerade av de här frågorna och misstänkte att denna metod för reduktionistisk vätskemekanik inte kunde vara hela historien, "Fernando Peruani, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Vi tyckte att bakterier borde klara detta handikapp:att fastna i en cirkulär bana är verkligen inte ett effektivt sätt att utforska en yta. Med denna idé i åtanke, Vi bestämde oss för att studera hur olika bakteriearter rör sig på ytor med målet att förstå hur ytutforskning faktiskt utförs. "

Peruanis och hans kollegors arbete är en del av ett bredare projekt som syftar till att bättre förstå hur patogena bakterier infekterar värdceller. I deras senaste studie, de använde videomikroskopi och spårade bakterier i ett relativt stort observationsfönster, för att få långa bakteriebanor. De analyserade senare statistiken för dessa banor för att noga observera bakteriernas simmönster nära ytan.

"De abrupta förändringarna i hastigheten som bakterierna visar, som indikerade att bakterier stoppade intermittent, fascinerade oss genast, "Peruanska sa." Vi tittade sedan på fördelningen av gånger bakterier rörde sig och inte rörde sig och förstod att om en Markov -kedjeformalism användes för att beskriva data, tre stater krävdes. Denna observation spelade en nyckelroll i vår forskning. "

Senare, forskarna återbesökte de data som de hade samlat in och analyserade de perioder då bakterierna hade "slutat". De observerade att bakterier ofta var bundna till ytan och snurrade runt en av cellkroppens spetsar.

"Beviset var klart:bakterier utforskade ytan genom att utföra övergående vidhäftningshändelser, "Peruanska sa." Nästa steg var att konstruera en teori för en simmare som har ett inre tillstånd, styrs av en Markov -kedja, som antar tre möjliga värden, var och en av dem förknippas med en annan rörelseekvation. Detta var en teknisk utmaning, men ansträngningen gav resultat. "

Teorin som utvecklats av Peruani och hans kollegor gjorde det möjligt för dem att dra slutsatsen att frekvensen vid vilken de observerade "stoppen" inträffade var långt ifrån slumpmässig. Istället för att hindra bakteriens aktivitet, denna frekvens tycktes maximera deras ytutforskning.

Studien utförd av detta forskargrupp ledde till två mycket viktiga observationer. För det första, forskarna insåg att bakterier använder övergående vidhäftning som en mekanism för att reglera ytutforskning. För det andra, de observerade förekomsten av en optimal stoppfrekvens, vilket maximerar ytutforskning. Enteroheamorrhagic E. coli (EHEC) och andra patogena bakterier verkar kunna ställa in denna frekvens till dess optimala värde.

"Dessa två observationer ger en bättre förståelse för hur bakterier utforskar ytor, vilket är ett nödvändigt steg för att belysa hur de söker efter värdceller, och hur bakterier infekterar dem, "Peruanska sa." Ett viktigt budskap från denna studie är att en fysisk förståelse för hur bakterier rör sig på ytor inte enbart kan baseras på hydrodynamiska interaktioner. Vidhäftningsinteraktioner spelar också en avgörande roll. Dessutom, det är samspelet mellan vidhäftning och aktiviteten hos flagellbunten som gör att bakterier kan omorientera och fly från de cirkulära fällorna som hydrodynamiska interaktioner åstadkommer. "

Observationerna som samlats in av Peruani och hans kollegor ger värdefull ny inblick i bakteriernas väldokumenterade simmönster nära ytan. Forskarna planerar nu ytterligare studier för att förstå hur patogena bakterier söker efter och infekterar värdceller. För olika bakteriearter, de förväntar sig att observera olika sök- och koloniseringsstrategier. Dock, de misstänker också att antalet strategier de kommer att observera kommer att vara betydligt mindre än antalet existerande arter av patogena bakterier.

"En kvantitativ, fysisk förståelse för bakteriella infektioner, som fortfarande saknas, kan ge tips om hur man förhindrar bakteriella infektioner, "Peruanska tillade." Vår studie, till exempel, indikerar att ytvidhäftning spelar en avgörande roll vid ytutforskning. Å andra sidan, ytadhesion beror på bakteriens specifika adhesiner, såväl som på de fysiska egenskaperna hos ytan, och vi kommer säkert att försöka tänka på sätt att ändra dessa fysiska egenskaper. "

© 2019 Science X Network