Изучение механики движения микроорганизмов

Бактериям часто приходится проплывать через сложные среды в человеческом теле, чтобы достичь цели. То, как они это делают, изучает Генри Фу.

«Микробиолог может смотреть на биологию или биохимические пути. Я же сосредоточен на механике, а не на биологии», — говорит Фу, доцент кафедры машиностроения в Университете Невады в Рино.

Его цель — понять механику передвижения бактерий и других микроорганизмов (например, сперматозоидов и протистов) в таких сложных субстанциях, как слизь или ткани тела. Эти среды содержат жидкость, но они сложнее воды, и для навигации в них бактериям, вероятно, требуются иные силы.

«Люди пытались понять, как они плавают в обычной воде, очень долго, вероятно, 50 или 60 лет. Но я хочу знать, как это плавание меняется, когда они движутся в чём-то более сложном, чем вода, например, в слизи», — говорит учёный, получивший грант от Национального научного фонда (NSF). «Слизь более вязкая и обладает упругими свойствами. Люди думают о слизи как о гладкой и непрерывной, но она имеет сеть волокон. Я изучаю, как эти волокна взаимодействуют с микроорганизмами».

Его работа может иметь широкие последствия для лечения болезней. Например, можно найти способы блокировать инфекцию, останавливая движение бактерии даже после её проникновения в организм. Это актуально для болезни Лайма, где «бактериям приходится пробираться через ваши ткани, чтобы попасть в кровоток», — говорит Фу. «Понимание того, как они это делают, может быть потенциально важным, чтобы их остановить».

Исследования также могут оказаться ценными для репродуктивного здоровья, где «свойства слизи могут влиять на вероятность оплодотворения», — отмечает Фу. «Это может быть важно при лечении бесплодия или контрацепции, когда можно облегчить — или затруднить — движение сперматозоидов».

Полученные уроки механики также можно применить для создания новых систем доставки лекарств, например, нанороботов, которые могли бы доставлять химиотерапию через тело к растущей опухоли.

Микроорганизмы плавают, двигая частями своего тела. Например, у многих плавающих бактерий есть хвостоподобный жгутик (флагеллум), который вращается, как пропеллер, толкая их вперёд. Некоторые водоросли имеют два жгутика, которые «они могут использовать, как в брассе», — говорит Фу. «Часть моей работы — понять, как они преобразуют это движение в продвижение в нужном направлении».

Его исследования в основном теоретические — на компьютере и с помощью бумаги с ручкой — и включают создание моделей этих «пловцов», чтобы увидеть их поведение в разных средах и при изменении движений.

«Наше моделирование основано на хорошо известных фундаментальных законах физики», — объясняет он. «Мы можем задать компьютеру форму бактерии и её движение при плавании, или то, как она вращается, и свойства материала или жидкости, в которой она движется. Затем мы спрашиваем, как она будет двигаться, и сколько силы и энергии на это потребуется. Мы также можем спросить, что произойдёт, если жгутик или клетка будут иметь другую форму».

Фу проводит свои исследования по программе NSF Faculty Early Career Development (CAREER), грант на которую он получил в июне 2013 года. Грант поддерживает молодых учёных, которые сочетают выдающиеся исследования, преподавание и интеграцию образования и науки. Он получил $400 003 на пять лет.

В рамках образовательной части гранта он планирует создать симуляцию «Двигайся как микроб» (Move Like a Microbe). Она «оживит исследования для публики и школьников, предоставив наглядную демонстрацию того, как микроорганизмы умеют плавать, и объяснит последствия их движения в повседневной жизни», — говорит он.

«Поскольку микроорганизмы так малы и поскольку то, что они испытывают в жидкой среде, отличается от наших ожиданий, эта демонстрация помогает поставить себя на их место», — добавляет он. «Они смогут управлять им, заставлять его плыть и чувствовать силы, которые чувствует микроорганизм — и они будут узнавать, каково это — пытаться плыть, когда ты такая мелочь».