Бактерии используют «батаранги» для «пращи» на поверхностях
Бактерии используют различные выросты для перемещения по поверхностям перед формированием многоклеточных биоплёнок. Некоторые виды демонстрируют особо прерывистое движение, известное как «дёргающая» (twitching) подвижность, которую обеспечивают волосоподобные структуры на их поверхности — пили IV типа (TFP).
«TFP действуют как батаранги Бэтмена, — сказал Джерард Вонг, профессор биоинженерии, химии и биохимии. — Эти "батаранги" могут вытягиваться, прикрепляться к поверхности, втягиваться и тянуть за собой клетку».
В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, Вонг и его коллеги определили сложную последовательность движений, составляющую эту «дёргающую» подвижность у Pseudomonas aeruginosa — патогена, формирующего биоплёнки и частично ответственного за смертельные инфекции при муковисцидозе.
Используя высокоскоростную камеру и новый алгоритм двухточечного отслеживания, исследователи обнаружили неожиданную способность бактерий к движению по принципу «пращи» на поверхностях.
Команда обнаружила, что линейные поступательные движения с постоянной скоростью чередуются со скачками скорости, которые в 20 раз быстрее, но длятся лишь миллисекунды. Этот процесс повторяется снова и снова.
«Постоянная скорость обеспечивается тягой множества TFP; скачок скорости происходит из-за высвобождения одного TFP, — пояснил Вонг. — Высвобождение приводит к быстрому движению по принципу пращи, которое фактически позволяет бактерии эффективно поворачивать, обеспечивая "переруливание"».
Способность поворачивать и менять направление критически важна для адаптации бактерий к постоянно меняющимся условиям поверхности при формировании биоплёнок. Исследователи обнаружили, что движение «пращой» помогает P. aeruginosa гораздо эффективнее перемещаться через полисахариды, которые они выделяют на поверхность во время образования биоплёнки — явление, известное как разжижение при сдвиге (shear-thinning).
«Поверхности, по которым должны двигаться бактерии, обычно покрыты "слизью". Клетки выделяют на поверхности полисахариды, что-то вроде патоки, — сказал Вонг. — Поскольку эти полисахариды — длинные полимерные молекулы, которые могут запутываться, среда очень вязкая и может препятствовать движению. Однако если двигаться в таких полимерных жидкостях очень быстро, вязкость становится намного ниже по сравнению с медленным движением. Тогда жидкость будет казаться больше похожей на воду, чем на патоку».
Поскольку «дёргающее» движение бактерий с TFP зависит от физического распределения этих пилей на поверхности отдельных клеток, Вонг надеется, что анализ паттернов подвижности в будущем может позволить создать новые методы «биометрического опознания» отдельных клеток для диагностики на уровне одной клетки.
«Это даёт нам возможность не только идентифицировать виды бактерий, но и, возможно, в будущем опознавать отдельные клетки на основе того, как они движутся», — заключил он.