Учёные наблюдали, как бактерии «кувыркаются», чтобы выбраться с поверхностей

Исследуя движение Escherichia coli, французские учёные заметили, что вблизи твёрдых поверхностей бактерии движутся по кругу. Эта траектория напоминает следы на льду перед работой ледового комбайна. Разобрав движение E. coli по шагам, исследователи идентифицировали характерный манёвр — поверхностное кувыркание (tumbling). Работа опубликована 5 мая в журнале Biophysical Journal.

Бактерии могут жить поодиночке, свободно плавая, но в итоге они оседают на поверхностях, формируя колонии и биоплёнки. Для этого бактерии случайным образом «кувыркаются», чтобы замедлиться и переориентироваться в трёх измерениях для поиска идеальной среды.

«Кувыркания очень интересны. Сама бактерия не знает, где условия для неё предпочтительнее, — говорит первый автор работы Лоранс Лемель, биофизик из Высшей нормальной школы Лиона. — Она не знает, куда плыть, как ощущать вещи. Но она знает, было ли прошлое окружение лучше или хуже настоящего». Бактерии используют эту информацию, чтобы прекратить или снизить частоту кувырканий. «Это означает, что вы плывёте больше в определённом направлении. В итоге популяция статистически движется к предпочтительным условиям».

Некоторые исследования утверждают, что бактерии не кувыркаются, а только плывут, находясь у поверхности. Но Лемель и её коллеги считают это маловероятным. Физика предсказывает, что в этом случае бактерии будут бесконечно двигаться по кругу, «запертые» поверхностью.

Однако отследить этих крошечных существ непросто. Двигаясь вперёд с помощью нескольких жгутиков, бактерии проплывают за секунду расстояние, в 20 раз превышающее длину их тела, а кувыркание происходит ещё быстрее — за одну десятую секунды. Чтобы детально изучить, как бактерии покидают поверхность, команда создала высокоскоростную камеру с ночным видением, высокой чувствительностью и увеличением.

Запись показала, что при плавании у поверхности трение воды о тело бактерии заставляет траекторию изгибаться. Чтобы избежать зацикливания на круговом движении, бактерия кувыркается. Она замедляется, и один из жгутиков выходит из связки, меняя направление движения. В некоторых случаях, подобно пловцу, отталкивающемуся от стенки бассейна, жгутик отталкивается от поверхности, обеспечивая более резкий поворот. Затем жгутик возвращается в пучок, бактерия ускоряется и продолжает плавание.

«Теперь мы знаем, что бактерии могут кувыркаться на поверхностях, и эти кувыркания очень специфичны, — сказала Лемель. — Выяснение стратегии исследования поверхности, лежащей в основе этих кувырканий, — важный следующий шаг».

Для бактерий кувыркание позволяет уйти с поверхности, что даёт возможность колонизировать другие места и оптимизировать исследование самой поверхности. Бактерии могут плавать по поверхностям клеток, пока не вступят в контакт со специфическим рецептором, чтобы оптимизировать заражение. Они также могут плавать, чтобы осесть на трудноочищаемых поверхностях и сформировать бактериальные биоплёнки, которые могут быть устойчивы к антибиотикам.

«Понимание событий кувыркания бактерий вблизи поверхности может помочь ограничить биозагрязнение поверхностей и разработать антибактериальные методы», — отметила Лемель.