Многие бактерии плавают с помощью жгутиков, придатков, похожих на штопор, которые толкают или тянут бактериальные клетки, как крошечные пропеллеры. Долгое время считалось, что жгутики выполняют всю работу во время плавания, в то время как остальная часть тела клетки находится в процессе плавания. Но это новое исследование показывает, что по крайней мере у одного вида тело клетки активно движется по спиральной траектории через воду, которая создает тягу и способствует способности организма плавать.«Насколько нам известно, это первый раз, когда количественно показано, как тело клетки участвует в плавательном движении», — сказал Кенни Брейер, профессор инженерной школы Брауна и старший автор статьи. «По большей части люди думали, что тело мало что делает — что это буквально просто тормоз для клетки — но здесь мы показываем, что оно действительно вносит свой вклад».
Результаты будут опубликованы 21 июля в Трудах Национальной академии наук.Инновационная визуализацияИзучение того, как плавают микроскопические бактерии, требует применения сложных методов визуализации. Традиционные микроскопы могут показать очень многое.
Существа проплывают прямо через поле зрения в мгновение ока, раскрывая некоторые детали того, как они движутся. Для этого исследования исследователи использовали метод, который позволил им внимательно следить за бактериальными клетками во время их плавания в режиме реального времени.
В этой методике используется отслеживающий микроскоп, построенный Бин Лю, бывшим исследователем, получившим докторскую степень в Брауне, и вскоре он начал свою карьеру в качестве доцента Калифорнийского университета в Мерседе. Микроскоп оснащен подвижным предметным столиком, на котором наблюдаются плавающие бактерии.
Как только микроскоп фиксирует бактерию, предметный столик перемещается в соответствии с движением бактерии, удерживая существо в центре поля зрения микроскопа.«Я думаю, что нововведение в этой статье состоит в том, что мы следим за отдельными особями в течение примерно 30 секунд, что является долгим временем в бактериальном смысле — тысячи оборотов жгутика», — сказал Брейер. «В большинстве исследований бактерий вы смотрите на множество бактерий в совокупности и усредняете их.
Но отслеживание отдельной клетки имеет огромную научную ценность. Мы можем увидеть, как много существует вариаций от клетки к клетке.
Мы можем увидеть, сколько вещей меняются со временем и так далее ".Тело в движении
Исследователи использовали свой метод визуализации, чтобы посмотреть на бактерии под названием Caulobacter crescentus, виды с телом в форме фасоли и одним жгутиком. Caulobacter плавают двумя разными способами: иногда жгутик отталкивается сзади, а иногда — спереди.
Когда Лю, Брейер и их коллеги наблюдали, как плывет полумесяц под микроскопом, они были удивлены увиденным.«Первый результат, в который мы поначалу не верили, заключался в том, что бактерии движутся вперед быстрее, чем назад», — сказал Брейер. «Мы думали, что это не может быть правдой, потому что физика говорит, что это должно быть точно так же, как вперед, так и назад. Поэтому мы спросили:« как это может быть? » Вот тогда мы и посмотрели глубже ».При более внимательном рассмотрении исследователи заметили, что тело клетки движется по шаткой спиральной траектории — траектории, которая немного похожа на то, что тело движется через невидимую спиральную трубку.
Спираль была менее выражена, когда бактерии движутся в обратном направлении, по сравнению с тем, когда они движутся вперед. Используя математическую модель, основанную на «теории силы сопротивления», исследователи показывают, что тяга, создаваемая различными движениями тела, объясняет разницу в скорости плавания.
Оказывается, бактериальное тело — это больше, чем просто послушный пассажир.По словам Брейера, открытие может пролить новый свет на эволюцию формы тела клетки.«Есть большие вопросы относительно того, почему определенные виды имеют определенные формы клеток», — сказал он. «Это может привести к некоторым ответам».
Исследователи также планируют использовать свою технику визуализации, чтобы посмотреть на динамику плавания у других типов бактерий и в более сложных жидкостях, таких как слизь.«Настоящие жидкости, такие как слизь или гель, обладают сложными свойствами, и мы хотим продолжить эту работу в этой сфере», — сказал Брейер. «Все это помогает объяснить, как бактерии адаптируются к плаванию в определенных условиях, и это имеет отношение к распространению болезней и даже к фертильности, потому что многое из этого также относится и к сперме».