Почему бактерии хорошо плывут против течения и как это предотвратить инфекции

Новые данные о том, как бактерии могут поддерживать устойчивое и быстрое движение против течения на расстояниях, сопоставимых с размерами многих человеческих органов, могут помочь предотвратить опасные для жизни инфекции.

Восходящая миграция бактерий часто происходит там, где жидкости текут в одном направлении, например, в мочевыводящих путях человека, внутривенных и мочевых катетерах. Как далеко и как быстро бактерии могут плыть против течения, долгое время было плохо изучено, в основном из-за неопределенности в том, как они поддерживают устойчивое движение вверх, несмотря на динамику «бег-кувырок» (движение вперед, случайное кувыркание и движение в другом направлении).

В статье, опубликованной в Science Advances, исследователи продемонстрировали, как далеко против течения могут перемещаться бактерии, несмотря на кажущееся хаотичным движение. Команда провела эксперимент с бактериями E. coli, плывущими против потока жидкости в микрофлюидных каналах, и засняла его. Они исследовали, насколько важна степень ограничения потока для макроскопического транспорта бактерий.

«Наши измерения показывают, что бактерии, плывущие против течения, могут преодолевать расстояния, сравнимые с размерами человеческих органов, десятки миллиметров за несколько десятков минут в условиях сильного ограничения», — сказала Нурис Фигероа-Моралес, ведущий автор публикации.

Ограничение потока — важнейший фактор для восходящего загрязнения. Бактерии движутся вперед против течения, но этот процесс прерывается, когда их сносит быстрыми потоками ближе к центру канала. Чем шире канал, тем дальше бактерии сносятся назад, прежде чем возобновить движение вверх у стенок. В узком канале бактерии движутся против течения гораздо быстрее и стабильнее — эффект, который исследователи назвали «супер-контаминацией». Эти результаты могут объяснить, почему некоторые инфекции быстро превращаются в опасные для жизни состояния.

«Это физический механизм. Как флюгер в ветреный день, геометрия бактерии заставляет ее ориентироваться против течения», — пояснила Фигероа-Моралес. — «Сильно ограниченные каналы делают эту восходящую миграцию более выраженной. Края микро-канала и поток просто помогают направлять бактерии прямо против течения, что приводит к быстрому заражению».

Результаты исследования имеют значение для предотвращения медицинских осложнений из-за инфекций крови и других контаминаций. Например, они могут помочь в разработке новых геометрий потока или обработки поверхностей катетеров для ограничения восходящей миграции бактерий, что потенциально снизит необходимость в их болезненной и рискованной периодической замене.

«Наше исследование также может быть актуально для новых технологий, направленных на улучшение целевой доставки лекарств, использование бактерий для очистки окружающей среды и понимание распространения биозагрязнителей в почвах», — добавила Фигероа-Моралес.