_ Perspective în spirală: oamenii de știință observă undele în comunitățile bacteriene

Un nou studiu al cercetătorilor de la Universitatea Chineză din Hong Kong a raportat apariția undelor spiralate mecanice în materia bacteriană.

Undele spiralate sunt frecvent observate în artificiale și sisteme naturale (cum ar fi inima). Acestea apar din interacțiunile elementelor vecine, cum ar fi celulele cardiace în cazul inimii. Aceste unde spiralate pot avea efecte diferite, conducând uneori la afecțiuni care pun viața în pericol, cum ar fi fibrilația în inimă.

Noul studiu, publicat în Nature Physics, explorează undele spiralate în bacterii – ceva ce nu a fost observat înainte. . În special, cercetătorii s-au concentrat asupra speciei Pseudomonas aeruginosa. Acestea se găsesc în mod obișnuit în sol și apă și sunt, de asemenea, cunoscute că colonizează spitalele.

Cercetarea este o continuare a lucrărilor lor anterioare, în care autorii au studiat transportul materialului pe distanță lungă în comunitățile bacteriene prin canale deschise de fluide.

Coautorul studiului, dr. Shiqi Liu, a declarat pentru Phys.org: „În timp ce am studiat dezvoltarea canalelor bacteriene, am descoperit semnături ale undelor de densitate și am fost intrigați de acest model de unde frumos.”

Motoare Pilus

Aceste unde spiralate observate de cercetătorii în bacterii sunt un fenomen emergent. Fenomenele emergente sunt un aspect crucial al sistemelor complexe, care sunt sisteme în care interacțiunea entităților individuale duce la fenomene care altfel nu pot fi observate.

Aceasta înseamnă că trebuie să înțelegem ce se întâmplă la nivelul fiecare entitate, care în acest caz este o bacterie Pseudomonas aeruginosa. Aceste bacterii au motoare pilus, care sunt cheia undelor spiralate.

Motoarele pilus sunt motoare moleculare, care sunt atașate de pili – apendice subțiri, asemănătoare părului, prezente pe suprafața celulei bacteriene. Aceste motoare joacă un rol important în diferite procese ale bacteriei, cum ar fi mișcarea și atașarea la suprafață.

„Undele spirale care se propagă au rezultat din activitatea coordonată a motorului pilus, un organel mobil asemănător unui cârlig. găsit la multe specii de bacterii”, a explicat un coautor al studiului, dr. Yilin Wu.

Mișcările mecanice ale motoarelor pilus în multe bacterii duc la aceste unde spiralate, care sunt ca ondulațiile pe suprafața bacteriană.

Pentru a studia undele spiralate, cercetătorii au folosit atât tehnici experimentale, cât și modelare matematică.

Cercetătorii s-au bazat pe utilizarea proteinelor fluorescente ca markeri. Ei au urmărit mișcarea celulelor individuale etichetând o mică parte a populației cu aceste proteine ​​fluorescente.

Apoi, au folosit un microscop pentru a observa comportamentul bacteriilor individuale și al populațiilor bacteriene. Cercetătorii au folosit, de asemenea, markerii pentru a urmări densitățile celulare pentru a vizualiza distribuția spațială a celulelor în cadrul populațiilor bacteriene.

Pentru a înțelege în continuare rolul activității motorii pilus în generarea undelor spiralate, cercetătorii au tratat populațiile bacteriene cu medicamente cunoscute. pentru a afecta activitatea motorie a pilusului. Prin observarea efectelor acestor tratamente asupra dinamicii undelor, ei ar putea deduce importanța motoarelor pilus în formarea undelor.

În final, cercetătorii au dezvoltat un model matematic bazat pe oscilatoare cuplate, unde mișcarea unui oscilator afectează celelalte și invers. Modelul matematic a fost construit pentru a simula comportamentul populațiilor bacteriene și pentru a valida munca lor experimentală.

Cercetătorii au descoperit că undele spiralate au rezultat din activitatea coordonată a motoarelor pilus. Ei au observat, de asemenea, că valurile erau auto-susținute și stabile, cu miezuri spiralate aproape staționare.

Această stabilitate este o caracteristică împărtășită de anumite tipuri de unde spiralate electrice și chimice găsite în alte sisteme vii. Cu toate acestea, undele spiralate observate în bacterii sunt distincte de celelalte unde spiralate.

Dr. Liu a explicat: „Undele spiralate de tensiune pe care le-am descoperit în populațiile bacteriene se datorează proceselor mecanice ciclice la nivel de o singură celulă, distincte de undele spiralate în majoritatea proceselor chimice/biologice, unde undele spiralate sunt sub formă de concentrație chimică oscilantă. ."

"În plus, undele spiralate de tensiune din populațiile bacteriene apar spontan fără stimulare externă sau neomogenitate, în timp ce undele spiralate din multe alte sisteme necesită stimulare sau neomogenitate spațială."

Mai mult , cercetătorii au demonstrat rolul interacțiunilor non-reciproce dintre celulele bacteriene pe undele spiralate. Ei au descoperit că aceste interacțiuni (care sunt asimetrice, ceea ce înseamnă că impactul unei celule asupra alteia nu este oglindit) sunt esențiale pentru formarea stabilă a undelor spiralate.

În esență, aceasta înseamnă că aceste interacțiuni pot duce la o formă de auto-organizare (sau susținere) care dă naștere la comportamente colective la scară largă sau la un fenomen emergent, cum ar fi propagarea undelor spiralate.

Descoperirile aruncă lumină asupra populațiilor și comportamentului bacteriilor, cum ar fi ca formarea de biofilme.

Când bacteriile aderă la o suprafață, o face prin producerea de substanțe polimerice extracelulare (EPS). Această substanță formează o comunitate structurată cunoscută sub numele de biofilm, astfel încât bacteria este încorporată într-o matrice de EPS, protejând bacteriile de stresul mediului, cum ar fi antibioticele și răspunsurile imune ale gazdei.

Întregul proces, cunoscut sub numele de formare. a biofilmelor, este esențială pentru supraviețuirea coloniilor bacteriene. Opusul acestui fenomen – dispersia – este la fel de important.

Atunci când bacteriile dintr-un biofilm se desprind și se răspândesc în noi locații, se numește dispersie. Dispersarea poate apărea ca răspuns la indicii de mediu, disponibilitatea nutrienților sau ca parte a ciclului de viață al bacteriilor.

Acest mecanism poate ajuta bacteriile să colonizeze noi suprafețe sau medii gazdă și poate influența răspândirea bolilor infecțioase sau formarea de comunități microbiene în diverse ecosisteme.

Cercetătorii cred că motoarele pilus nu servesc doar ca dispozitive de acționare mecanice, ci și ca senzori. Aceasta înseamnă că pot detecta stimuli mecanici din mediul înconjurător, ceea ce permite mișcări sincronizate în cadrul populațiilor bacteriene.

„Credem că coordonarea sau cuplarea activităților pilus permite populațiilor bacteriene să controleze la scară largă. forțele de tensiune și pot influența dispersarea lor”, a explicat dr. Wu.

De aceea, înțelegerea undelor spiralate poate ajuta la înțelegerea comportamentului speciilor bacteriene.

În plus, se găsesc unde spirale staționare. în multe sisteme diverse. „Modelul undelor din materia bacteriană alimentată de pilus poate, prin urmare, să ofere un analog mecanic tratabil pentru investigarea originii și controlul undelor spiralate stabile în diverse sisteme vii, cum ar fi țesuturile cardiace”, a explicat dr. Liu.

Pentru lucrări viitoare, cercetătorii doresc să studieze modul în care undele spiralate pot fi controlate.

„Informația poate ghida controlul undelor spiralate stabile în alte sisteme vii. De exemplu, controlul undelor spiralate în inimă. țesuturi asociate cu aritmii cardiace care pun viața în pericol”, a spus dr. Wu.

© 2024 Science X Network

(Fluierul)