Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук и Школы искусств Науки объединились, чтобы найти ответ. Их результаты могут использоваться в моделях болезней и методах лечения или даже в разработке микроскопических плавательных роботов.
Исследованием руководил Пауло Арратиа, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики Penn Engineering и член лаборатории Элисон Паттесон, аспирант. Постдокторант Арвинд Гопинат, сотрудник лаборатории Arratia, и Марк Гулиан, профессор биологии Университета Пенсильвании, Эдмунд Дж.
И Луиза В. Кан. Наук, внесших свой вклад в исследование.Он был опубликован в Nature Scientific Reports.
Эксперименты 1970-х годов показали, что в воде кишечная палочка демонстрирует так называемое плавание «беги и падай». Бактерия плывет по прямой линии, затем кувыркается или меняет направление случайным образом. Это хорошая стратегия поиска пищи, но было неясно, как эта стратегия изменится в более гелеобразных жидкостях, в которых они, как правило, живут.«Что изменилось сейчас, так это то, что мы можем более точно охарактеризовать материальные свойства этих жидкостей, — сказал Паттесон, — так что мы можем связать изменения этих свойств с изменениями в плавательном поведении клеток очень систематическим образом.
Мы получаем более молекулярный взгляд на то, как все работает ".Исследователи также смогли отслеживать отдельные бактерии и даже отдельные молекулы полимера, которые при добавлении в воду в разных количествах делают ее более вязкой и эластичной.Когда вязкость увеличивается, кишечная палочка менее способна отделять свои плетевидные жгутики.
Когда они вращаются вместе, как пропеллер, бактерии движутся вперед, но вращение каждой в разных направлениях — вот что позволяет бактериям вращаться. Это означает, что они с меньшей вероятностью опрокинутся в более вязких жидкостях.
«В вязких жидкостях их движение является баллистическим, как пуля», — сказал Арратиа. «Они плывут прямо и редко поворачивают, а это значит, что они могут путешествовать дальше».Когда эластичность увеличивается, плавательные движения кишечной палочки становятся более эффективными. В воде бактерии имеют тенденцию колебаться, но в окружении упругих полимеров они становятся более стабильными.
Имея отдельные молекулы полимера примерно того же размера, что и отдельная бактерия, жгутики бактерий физически растягивают свернутые полимеры, как резиновая лента. Сила отталкивания полимеров помогает бактериям плавать быстрее.
«Мы должны учитывать эти факторы, когда думаем о том, насколько быстро могут распространяться эти бактерии», — сказал Арратиа.