Hvor meget kraft producerer bakterier? Det er nu blevet målt

Bakterier migrerer ved hjælp af en række nysgerrige ambulante mekanismer. Disse migrationer giver dem mulighed for at følge byttedyr, danne biofilm og simpelthen aggregere.

Og det rejser et nysgerrigt spørgsmål. Givet denne evne til at bevæge sig, hvor meget kraft producerer bakterier, mens de går? Med andre ord, hvor hårdt kan de presse?

I dag får vi et svar takket være arbejdet af Joshua Shaevitz, Benedikt Sabass og Howard Stone ved Princeton University. Disse fyre har udviklet en metode til at måle de små kræfter, der er involveret og viser, at når det kommer til at skubbe og skubbe, slår bakterier langt over deres vægt.



En typisk bakteriecelle er kun et par mikrometer lang og har en masse i området 10-15 kg. Under tyngdekraften ville en enkelt celle udøve en kraft på omkring 10 femtonewtons. Det er ikke en let kraft at måle.

Shaevitz og co forsøger det ved hjælp af en teknik kendt som trækkraftsmikroskopi. Dette er baseret på den observation, at bakterier deformerer ethvert blødt materiale omkring dem, når de bevæger sig. Så ved at måle disse deformationer er det muligt at beregne kræfterne bag dem.

Eksperimentet går ud på at placere bakterierne på et blødt gel-lignende materiale og derefter bruge et mikroskop til at fotografere dem, mens de bevæger sig. Det pågældende materiale er et tyndt lag blød elastisk gel lavet af chitosan-belagt polyakrylamid. Denne har velkarakteriserede materialeegenskaber, som gør det ligetil at beregne, hvor meget kraft der skal til for at deformere det.

Men når deformationerne er små, er de svære at se. Så gelen indeholder også mikroperler i to forskellige farver, der bevæger sig i takt med at materialet deformeres og er lettere at se. Når celler bevæger sig hen over overfladen, kan enhver ændring i mikroperlernes position bruges til at beregne de deformationer, som denne bevægelse forårsager.

Shaevitz og co udfører deres eksperimenter på Myxococcus xanthus bakterier, som bevæger sig ved hjælp af to forskellige mekanismer. Den første er en slags glidende bevægelse, hvor cellemembranen i kontakt med overfladen fungerer som en tankbane, når væsenet bevæger sig. En enkelt glidende celle producerer kræfter på blot nogle få piconewtons (10-12 Newton), hvilket næppe er nok til at deformere gelen. Vi konkluderer, at glidning af individuelle celler er en lavfriktionsproces, som næppe påvirker miljøet mekanisk, siger Shaevitz og co.

Imidlertid, Myxococcus xanthus har en anden, mere kraftfuld måde at bevæge sig på. Dette er en slags gribekrogsmekanisme, hvor hver celle producerer små hårlignende fremspring kaldet pili, som rækker frem og hæfter sig til overfladen. Ved at trille ind i pili trækker bakterierne sig selv med hastigheder på omkring en mikrometer i sekundet eller omkring en kropslængde i sekundet.

I dette tilfælde siger Shaevitz og co, at den gennemsnitlige kraft genereret af en enkelt celle er omkring 50 piconewtons - det er 10 gange højere end for glidende bevægelse.

Desuden bevæger bakterier sig generelt i grupper, så deres kollektive kræfter kan være meget højere. Målingerne viser, at grupper af bakterier udøver en kraft på mere end 100 piconewtons.

Det er interessant arbejde, der afslører i det mindste nogle af bakteriernes evner som lokomotivmaskiner.

Der er dog stadig væsentlige ubesvarede spørgsmål. For eksempel er opløsningen af ​​denne form for trækkraftmikroskopi omkring 0,5 mikrometer, hvilket betyder, at deformationer mindre end dette ikke kan måles. Så denne teknik går glip af enhver dynamik, der forekommer i mindre skala.

Der er også masser af andre mysterier forbundet med bakteriel bevægelse. For eksempel ved ingen hvorfor Myxococcus xanthus kan bevæge sig hurtigere på blød agar end på stiv agar. Men denne form for arbejde skulle være med til at afsløre svar.

Ud over dette er et interessant spørgsmål, hvordan man udnytter bakteriel bevægelse. Hvis denne bevægelse genererer kræfter, hvorfor så ikke bruge dem til at skubbe håndtag, betjene kontakter, dreje hamsterhjul, transportere last og så videre? Det er ikke svært at forestille sig et veritabelt Disneyland med bakteriel aktivitet.

Selvfølgelig fungerer maskineri i denne skala på en helt anden måde end den menneskelige skala - inertikræfter bliver ubetydelige, mens andre effekter såsom van de Waals kræfter bliver enormt vigtige. Det er noget, designere af mikroelektromekaniske enheder længe har vidst - måske kunne de hjælpe?

Det er faktisk ikke uden for fantasi, at de kollektive kræfter fra migrerende bakterier en dag kan blive udnyttet til at udføre nyttigt arbejde på mikrometerskalaen.

Ref: arxiv.org/abs/1701.00524 : Generering af kollektiv kraft af grupper af migrerende bakterier

skjule