Бактерии плавают всем телом, а не только «пропеллерами»

Новое исследование Университета Брауна показывает, что при плавании тела некоторых бактерий — это не просто балласт.

Многие бактерии плавают с помощью жгутиков — штопорообразных отростков, которые толкают или тянут клетку, как крошечные пропеллеры. Долгое время считалось, что всю работу при плавании выполняют жгутики, а остальное тело клетки просто пассивно движется вместе с ними. Однако это исследование демонстрирует, что по крайней мере у одного вида тело клетки активно описывает винтовую траекторию в воде, создавая тягу и способствуя способности организма плавать.

«Насколько нам известно, это первый случай, когда было количественно показано, как тело клетки участвует в плавательном движении, — сказал Кенни Бройер, профессор Школы инженерии Брауна и старший автор статьи. — В основном считалось, что тело делает очень мало — буквально просто создает сопротивление, — но здесь мы показываем, что оно действительно вносит вклад».

Результаты будут опубликованы на неделе 21 июля в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Инновационная визуализация

Для изучения того, как микроскопические бактерии плавают, требуются сложные методы визуализации. Традиционные микроскопы показывают не так много. Существа проплывают через поле зрения в мгновение ока, почти не раскрывая деталей своего движения. В этом исследовании ученые использовали метод, позволивший им в реальном времени внимательно следить за плавающими бактериальными клетками.

Метод использует трекинг-микроскоп, созданный Бин Лю, бывшим постдокторантом в Брауне и будущим доцентом Калифорнийского университета в Мерседе. Микроскоп оснащен подвижным столиком, на котором наблюдают за плавающими бактериями. Как только микроскоп фиксирует бактерию, столик движется в соответствии с ее перемещением, удерживая объект в центре поля зрения микроскопа.

«Инновация этой работы, я думаю, в том, что мы следим за отдельными особями около 30 секунд — это долгое время в бактериальном смысле, тысячи оборотов жгутика, — сказал Бройер. — В большинстве исследований бактерий вы смотрите на множество бактерий коллективно и усредняете их. Но есть огромная научная ценность в отслеживании одной клетки. Мы можем увидеть, насколько велика вариация от клетки к клетке. Мы можем увидеть, как сильно вещи меняются со временем, и так далее».

Тело в движении

Исследователи использовали свою технику визуализации для изучения бактерий Caulobacter crescentus — вида с телом в форме фасоли и одним жгутиком. Caulobacter плавают двумя разными способами: иногда жгутик толкает сзади, а иногда тянет спереди.

Когда Лю, Бройер и их коллеги наблюдали за плаванием crescentus под микроскопом, они были удивлены увиденным.

«Первый результат, в который мы поначалу не поверили, заключался в том, что бактерии движутся вперед быстрее, чем назад, — сказал Бройер. — Мы думали, что этого не может быть, потому что физика говорит, что вперед и назад должно быть одинаково. Поэтому мы спросили: "Как это может быть?" Именно тогда мы присмотрелись внимательнее».

При более детальном рассмотрении исследователи заметили, что тело клетки описывает шаткую винтовую траекторию при движении — траекторию, которая выглядит так, будто тело движется по невидимой спиральной трубке. Спираль была менее выражена, когда бактерии двигались назад, по сравнению с движением вперед. Используя математическую модель, основанную на «теории сопротивления», исследователи показывают, что тяга, создаваемая различными движениями тела, объясняет разницу в скорости плавания. Оказывается, бактериальное тело — это не просто пассивный пассажир.

Это открытие может пролить новый свет на эволюцию формы клеточного тела, говорит Бройер.

«Есть большие вопросы о том, почему у определенных видов определенная форма клеток. Это может привести к некоторым ответам».

Исследователи также планируют использовать свою технику визуализации для изучения динамики плавания у других типов бактерий и в более сложных жидкостях, таких как слизь.

«Настоящие жидкости, такие как слизь или гель, обладают сложными свойствами, и мы хотим продолжить эту работу в этой сфере, — сказал Бройер. — Все это помогает объяснить, как бактерии приспособлены к плаванию в определенных условиях, и это имеет применение для распространения болезней и даже для фертильности, потому что многое из этого применимо и к сперматозоидам».