Бактерии изменяют свойства жидкости и избегают захвата

Гибкий хвост позволяет плавающим бактериям уменьшать вязкость окружающей жидкости и высвобождаться, когда они оказываются в ловушке у стенок или препятствий. Это открытие может повлиять на методы контроля роста бактерий на медицинских, промышленных и сельскохозяйственных поверхностях. Новое исследование учёных из Университета Пенсильвании, опубликованное в недавнем выпуске журнала Королевского общества Interface, использовало математические модели, чтобы понять, как бактерии с жгутиками — набором вращающихся волосков для движения, действующих вместе как хвост — преодолевают силы потока жидкости и перемещаются в сложных средах.

«Бактерии — самые многочисленные организмы на планете, и их часто находят в жидкостях», — сказал Михаил Потомкин, научный сотрудник по математике в Университете Пенсильвании и автор исследования. — «Из недавних экспериментальных работ мы знаем, что бактерии могут снижать эффективную вязкость — внутреннее трение — раствора, что помогает им легче двигаться.

«В растворах с высокой концентрацией бактерий это происходит из-за коллективного движения, которое эффективно разжижает раствор. Но снижение вязкости наблюдалось и в разбавленных растворах, где бактерий меньше», — добавил Потомкин. — «Этот эффект объясняли «кувырканием» бактерий — случайными изменениями направления, — но аналогичное снижение вязкости также сообщалось для штаммов бактерий, которые не демонстрируют такое поведение. Наша работа предполагает, что причиной могут быть жгутики бактерий».

С помощью математической модели исследовательская группа показала, что гибкие жгутики позволяют бактериям преодолевать локальные силы между молекулами, снижая вязкость и эффективно разжижая жидкость. Это понимание может иметь важные последствия для создания биомиметических материалов — искусственных материалов, имитирующих биологические, — чтобы изменять свойства растворов для биомедицинских или промышленных целей.

«Чтобы понять, можем ли мы контролировать вязкость раствора, нам нужно понять, как её контролируют бактерии», — сказал Потомкин. — «Жгутики играют ключевую роль в этом контроле. Мы также исследовали, как бактерии используют жгутики для навигации в более сложной среде, введя в нашу модель стенки. Бактерии имеют тенденцию накапливаться на стенках или препятствиях и часто застревают, двигаясь вдоль них. Мы продемонстрировали, что наличие гибких эластичных жгутиков иногда может помочь бактериям избежать такой ловушки, например, когда в раствор добавляются питательные вещества и повышается подвижность бактерий».

Бактерии, которые накапливаются на биомедицинских устройствах (например, катетерах), а также на промышленных и сельскохозяйственных трубах и стоках в виде биоплёнок, трудно удалить, и они могут быть устойчивы к биоцидам и антибиотикам. Понимание того, как бактерии могут ускользать от стенок, в конечном итоге может подсказать способы контроля или предотвращения образования этих часто вредных биоплёнок. Другое возможное применение — разработка более эффективных способов захвата бактерий, например, для идентификации их типов в жидкости или фильтрации.

«Наши результаты показывают, что если вы хотите поймать бактерии, простых ловушек может быть недостаточно», — сказал Игорь Аронсон, профессор биомедицинской инженерии, химии и математики в Университете Пенсильвании и старший автор статьи. — «Нам нужно будет создать что-то более сложное. Использование эластичных жгутиков — один из способов, которым подвижные бактерии реагируют на окружающую среду, чтобы выживать в суровых условиях».