Бактерии быстрее плавают в коллоидных растворах, чем в воде

Бактерии могут за секунду проплывать расстояние, которое в десятки раз больше их собственной длины. Еще удивительнее, что бактерии плывут быстрее в вязкой жидкости со множеством мелких частиц, чем, например, в воде.

«Плавание бактерий» активно изучается с 1960-х годов. Предыдущие работы показали, что бактерии быстрее, чем в воде, плавают в густых растворах полимеров — жидкостях, содержащих длинных цепи молекул. Исследователи предполагали, что бактерии могут передвигаться по сети, образованной полимерными цепочками, и растягивать эти цепочки, чтобы двигаться было легче.

В новом исследовании команда ученых из Университета Миннесоты, используя в качестве модели флуоресцентно меченую кишечную палочку, обнаружила, что в коллоидных растворах бактерии тоже движутся быстрее. Но динамика полимеров и мелкодисперсных частиц различается, а значит, нужно предложить другой механизм, объясняющий, как бактерии перемещаются в вязких средах.

У плавающих бактерий обычно один или несколько жгутиков, каждый из которых соединен со своим собственным вращающимся двигателем на поверхности клетки с помощью гибкой конструкции с крючком. Эти жгутики спиралевидные, похожие на штопор, и когда двигатель вращает их, создается тяга, которая и перемещает бактерию вперед. А если все двигатели вращаются в одном направлении, жгутики образуют пучок, который вращается как единая структура. Но тело бактерии в таком случае тоже должно вращаться, чтобы уравновесить движение пучка.

Авторы показали, что траектории были более прямыми из-за крутящего момента, который действует на бактерии, когда они приближаются к твердой частице в жидкости (boundary-induced torque). Этот крутящий момент изгибает крючки жгутика, уменьшая расстояние между жгутиками и самой клеткой, как бы выравнивая их — это и добавляет скорости.

Также ученые обнаружили, что увеличение скорости зависит от размера коллоидов. Скорость возрастала с увеличением радиуса частиц до какого-то предела. На 80% быстрее частицы двигались в жидкостях с частицами радиусом около 500 нм.

«Важно понять, как бактерии перемещаются в сложной среде. Например, определенный тип бактерий вызывает язву желудка. Слизистая оболочка желудка представляет собой вязкую среду, поэтому изучение того, как бактерии перемещаются в этих средах, важно для понимания того, как распространяется болезнь», — комментирует Сян Чэн, соавтор статьи и доцент кафедры химической инженерии и материаловедения в Университете Миннесоты.

Эти результаты могут помочь ученым разработать новые методы лечения бактериальных заболеваний и системы для доставки лекарств в клетки человека на основе бактерий. Но нужны еще эксперименты, чтобы все проверить. Интересно было бы посмотреть, пишет News&views, как влияет длина крючка на скорость движения бактерий. Изменить длину можно с помощью генетических модификаций.