Выводы, результат микроскопического анализа бактерий внутри микрофлюидных устройств, были сделаны постдоком MIT Роберто Рускони, бывшим постдоком MIT Джеффри Гуасто (ныне доцентом кафедры машиностроения в Университете Тафтса) и Романом Стокером, адъюнкт-профессором гражданского и гражданского строительства. экологическая инженерия в Массачусетском технологическом институте. Их результаты опубликованы в журнале Nature Physics.
Исследование, объединяющее экспериментальные наблюдения с математическим моделированием, показало, что поток жидкости может иметь два значительных эффекта на микробы: «Он подавляет способность микробов преследовать пищу, — говорит Штокер, — и помогает микробам находить поверхности».Это второе открытие может быть особенно полезным: Стокер говорит, что в некоторых случаях это явление может привести к новым подходам к настройке скорости потока, чтобы предотвратить загрязнение поверхностей микробами — потенциально предотвращая все, от бактерий, попадающих на медицинское оборудование, до биопленок, вызывающих замедление движения. корпуса кораблей.По словам Штокера, влияние текущей воды на бактериальное плавание было «полной неожиданностью».
«Мои собственные предыдущие предсказания того, что произойдет, когда микробы плавают в проточной воде, были:« Ничего особенного », — добавляет он. «Только когда Роберто и Джефф провели эксперименты, мы обнаружили это очень сильное и надежное явление».Стокер объясняет, что хотя большинство микроорганизмов живут в текущей жидкости, большинство исследований их поведения игнорируют течение. Новые результаты показывают, говорит он, что «любое исследование микробов, взвешенных в жидкости, не должно игнорировать то, что движение этой жидкости может иметь серьезные последствия для микробов».«Новизна этого результата частично обязана разделению на академические специальности, а частично — технологическим достижениям», — говорит Штокер. «Микробиологи редко принимают во внимание поток жидкости как экологический параметр, в то время как физики только недавно начали обращать внимание на микробы», — говорит он, добавляя: «Возможность непосредственно наблюдать за микробами в условиях контролируемого потока, обеспечиваемого микрожидкостной технологией — которому всего около 15 лет, — все изменилось, позволив нам обнаружить и понять влияние потока на микробы ».
Команда обнаружила, что плавающие бактерии группируются в «зонах высокого сдвига» в потоке — регионах, где скорость жидкости изменяется наиболее резко. Такие зоны высокого сдвига встречаются в большинстве типов потоков и во многих местообитаниях бактерий.
Одно видное место — около стенок трубок, где в результате сильно усиливается тенденция бактерий прилипать к этим стенкам и образовывать биопленки.Но этот эффект сильно варьируется в зависимости от скорости потока, открывая возможность того, что скорость образования биопленки может быть изменена путем увеличения или уменьшения скорости потока.Гуасто говорит, что новое понимание может помочь в разработке медицинского оборудования для снижения таких инфекций: поскольку явление достигает пика при определенных скоростях сдвига, он говорит: «Наши результаты могут предложить дополнительные критерии проектирования для биомедицинских устройств, которые должны работать за пределами этого диапазона. скорости сдвига, когда это возможно — быстрее или медленнее ".«Биопленки встречаются повсюду», — говорит Рускони, добавляя, что большинство бактерий проводят значительную часть своей жизни, прилипая к поверхностям. «Они вызывают серьезные проблемы в промышленных условиях», например, засоряют трубы или снижают эффективность теплообменников. Их соблюдение также является серьезной проблемой для здоровья: бактерии, сконцентрированные в биопленках, в 1000 раз более устойчивы к антибиотикам, чем бактерии, взвешенные в жидкости.
Концентрация микробов в зонах сдвига — это эффект, который случается только с теми, кто может контролировать свои движения. Группа обнаружила, что неживые частицы аналогичного размера и формы не проявляют такого эффекта, как и неподвижные бактерии, которые пассивно уносятся водой. «Без подвижности бактерии распространяются повсюду, и нет никакого предпочтительного накопления», — говорит Рускони.
Новые результаты также могут быть важны для исследований микробных морских экосистем, поскольку они влияют на то, как бактерии перемещаются в поисках питательных веществ, с учетом повсеместных течений и турбулентности, говорит Стокер. Хотя они изучали только два типа бактерий, в своей статье исследователи предсказывают, что «это явление должно очень широко применяться ко многим различным подвижным микробам».
На самом деле, это явление не имеет ограничений по размеру и может применяться к широкому кругу организмов, говорит Гуасто. «В этом отношении в бактериях нет ничего особенного по сравнению со многими другими плавательными клетками», — говорит он. «Это явление можно легко применить к широкому спектру клеток планктона и сперматозоидов».