Землетрясения, клей и гарпуны: ученые изучили движение бактерий
Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Генри Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) обнаружили, что у микроскопических бактерий и землетрясений есть общая черта — прерывистый характер движения.
В новом исследовании, опубликованном в рецензируемом журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые также сообщают, что молекулярный «клей», который бактерии производят для прикрепления к поверхностям, одновременно действует как смазка, помогая им перемещаться и организовываться в примитивные социальные структуры. Эти открытия могут привести к новым способам борьбы с вредными микробами.
Известно, что часто изучаемая бактерия Myxococcus xanthus обладает сложной социальной организацией: группы бактерий «охотятся» вместе, как стаи волков. Иногда десятки тысяч отдельных клеток Myxococcus координируют свои движения, организуясь в единую структуру — «плодовое тело», что помогает обеспечить их выживание. Однако их движение чрезвычайно медленное, и для его наблюдения ученые обычно используют покадровую съемку.
В данном исследовании ученые пошли противоположным путем. Команда под руководством профессора биоинженерии Жерара Вонга использовала высокоскоростную съемку, чтобы зафиксировать тонкие движения Myxococcus. Они обнаружили, что отдельные бактерии двигаются рывками с помощью щупалец, известных как пили, которые действуют как гарпуны, подтягивая бактерию по поверхности.
Бактерии и тектоника плит
«Движение бактерии, скользящей по поверхности, на самом деле похоже на скольжение двух тектонических плит друг о друга. Когда две стороны разлома соскальзывают, происходит землетрясение, но большую часть времени они застревают на месте. Оказывается, скольжение тектонических плит и бактерий по поверхностям имеет фундаментальное сходство», — пояснил ведущий автор исследования Макс Гибиански.
Фактическое движение Myxococcus происходит только короткими рывками между длительными периодами покоя, даже когда пили непрерывно тянут бактерию. И землетрясения, и внезапные движения бактерий следуют математической модели, описывающей частоту и интенсивность так называемых «лавинных» движений.
Клей и смазка «2-в-1»
Исследователи задались вопросом, как «сейсмические» движения бактерий связаны с их социальным взаимодействием. Например, при формировании плодового тела многие клетки должны координировать свои движения одновременно.
Ученые обнаружили, что то, что считалось «клеем» бактерий — сложные молекулы сахаров, известные как экзополисахариды, — также действует как смазка, помогая бактериям скользить по поверхности. Часто одна бактерия действовала как локомотив, за которым тянулся «поезд» из присоединенных бактерий, все они скользили по сахарной смазке.
Фундаментальное знание о том, как бактерии двигаются по поверхности и образуют колонии, может помочь исследователям разработать новые терапевтические стратегии для борьбы с инфекциями.
«Myxococcus, вероятно, самая сложная бактерия на Земле с обширным социальным поведением и уникальной подвижностью скольжения. Изучение подвижности скольжения имеет значение для фундаментальной биологии, поскольку именно так организмы перемещались из океана на сушу с эволюционной точки зрения», — сказал профессор UCLA Вэньюань Ши.
«Подвижность скольжения позволяет бактериям перемещаться по твердым поверхностям и является ключевым фактором вирулентности, который позволяет патогенным бактериям проникать в ткани человека. Наше открытие открывает новые возможности для изучения этого молекулярного механизма и разработки новых способов борьбы с микробным патогенезом», — добавил он.