Kiek jėgos gamina bakterijos? Dabar jis išmatuotas

Bakterijos migruoja naudodamos daugybę įdomių ambulatorinių mechanizmų. Šios migracijos leidžia jiems sekti grobį, formuoti bioplėveles ir tiesiog agreguotis.

Ir tai kelia smalsų klausimą. Atsižvelgiant į šį gebėjimą judėti, kiek jėgos sukuria bakterijos eidamos? Kitaip tariant, kiek jie gali spausti?

Šiandien mes gauname atsakymą dėka Joshua Shaevitzo, Benedikto Sabasso ir Howardo Stone'o Prinstono universitete. Šie vaikinai sukūrė metodą, kaip išmatuoti mažytes dalyvaujančias jėgas ir parodo, kad stumiant ir stumdant bakterijos smogia gerokai virš jų svorio.

Tipiška bakterinė ląstelė yra vos kelių mikrometrų ilgio ir sveria apie 10–15 kilogramų. Veikiant gravitacijos jėgai, viena ląstelė veiktų maždaug 10 femtoniutonų jėgą. Tai nėra lengva išmatuoti.

Shaevitzas ir bendradarbiai bando tai padaryti naudodami techniką, žinomą kaip traukos jėgos mikroskopija. Tai pagrįsta pastebėjimu, kad bakterijos judėdamos deformuoja bet kokią aplink save esančią minkštą medžiagą. Taigi, išmatavus šias deformacijas, galima apskaičiuoti už jų esančias jėgas.

Eksperimento metu bakterijos uždedamos ant minkštos gelį primenančios medžiagos ir mikroskopu nufotografuojamos jas judant. Nagrinėjama medžiaga yra plonas minkšto elastingo gelio sluoksnis, pagamintas iš chitozanu padengto poliakrilamido. Tai turi gerai apibūdintas medžiagos savybes, todėl nesunku apskaičiuoti, kiek jėgos reikia jai deformuoti.

Tačiau kai deformacijos nedidelės, jas sunku įžiūrėti. Taigi gelyje taip pat yra dviejų skirtingų spalvų mikrokaroliukai, kurie juda deformuojantis medžiagai ir yra lengviau matomi. Ląstelėms judant paviršiumi, bet koks mikrokaroliukų padėties pasikeitimas gali būti naudojamas apskaičiuojant deformacijas, kurias sukelia šis judėjimas.

Shaevitzas ir bendradarbiai atlieka savo eksperimentus Myxococcus xanthus bakterijų, kurios juda dviem skirtingais mechanizmais. Pirmasis yra tam tikras slydimo judesys, kurio metu su paviršiumi besiliečianti ląstelės membrana veikia kaip tanko takelis, kai būtybė juda. Viena sklandanti ląstelė sukuria vos kelių pikoniutonų (10–12 niutonų) jėgas, kurių vargu ar pakanka geliui deformuoti. Darome išvadą, kad atskirų ląstelių slydimas yra mažos trinties procesas, kuris beveik neveikia aplinkos mechaniškai, sako Shaevitz ir kt.

Tačiau Myxococcus xanthus turėti kitą, galingesnį judėjimo būdą. Tai savotiškas griebimo kablio mechanizmas, kuriame kiekviena ląstelė sukuria mažus į plauką panašius iškilimus, vadinamus piliais, kurie pasiekia priekį ir prisitvirtina prie paviršiaus. Susukdamos pilius, bakterijos traukiasi maždaug vieno mikrometro per sekundę greičiu arba maždaug vieno kūno ilgio per sekundę greičiu.

Šiuo atveju Shaevitz ir bendradarbiai teigia, kad vidutinė vienos ląstelės sukuriama jėga yra apie 50 pikoniutonų – tai 10 kartų didesnė nei slystant.

Be to, bakterijos paprastai juda grupėmis, todėl jų kolektyvinės jėgos gali būti daug didesnės. Matavimai rodo, kad bakterijų grupės veikia daugiau nei 100 pikoniutonų jėgą.

Tai įdomus darbas, atskleidžiantis bent kai kurias bakterijų, kaip lokomotyvų mašinų, galimybes.

Tačiau vis dar yra svarbių neatsakytų klausimų. Pavyzdžiui, tokio tipo traukos jėgos mikroskopijos skiriamoji geba yra apie 0,5 mikrometro, o tai reiškia, kad mažesnės deformacijos negali būti išmatuotos. Taigi ši technika praleidžia bet kokią dinamiką, kuri atsiranda mažesniu mastu.

Taip pat yra daugybė kitų paslapčių, susijusių su bakterijų judėjimu. Pavyzdžiui, niekas nežino, kodėl Myxococcus xanthus ant minkšto agaro gali judėti greičiau nei ant standaus agaro. Tačiau toks darbas turėtų padėti atskleisti atsakymus.

Be to, įdomus klausimas yra, kaip išnaudoti bakterijų judėjimą. Jei šis judesys generuoja jėgas, kodėl jomis nepanaudojus svirtims stumti, jungikliams valdyti, žiurkėnų ratams sukti, kroviniams gabenti ir pan.? Nesunku įsivaizduoti tikrą bakterijų veiklos Disneilendą.

Žinoma, tokio masto mašinos veikia visiškai kitaip nei žmogaus – inercinės jėgos tampa nereikšmingos, o kiti efektai, tokie kaip van de Waal jėgos, tampa labai svarbūs. Tai mikroelektromechaninių prietaisų dizaineriai jau seniai žinojo – galbūt jie galėtų padėti?

Iš tiesų, neįsivaizduojama, kad kolektyvinės migruojančių bakterijų jėgos vieną dieną gali būti panaudotos naudingiems darbams mikrometro skalėje.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1701.00524 : Kolektyvinių pajėgų generavimas pagal migruojančių bakterijų grupes

paslėpti