Znajdź zawartość

Bakteryjne biofilmy rozszerzają się, zajmując coraz większą powierzchnię szkliwa czy cewnika, wykorzystując do tego macierz pozakomórkową (ang. extracellular matrix, ECM). "Podkręca" ona ciśnienie osmotyczne w jego obrębie, prowadząc do pobierania z zewnątrz wody i wzrostu objętości. Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda ustalili, że mechanizm ten może prowadzić nawet do 5-krotnego skoku promienia niektórych biofilmów w ciągu zaledwie doby (PNAS). Nasze studium zadaje kłam popularnemu obrazowi biofilmów jako osiadłych społeczności, pokazując, jak jego komórki współpracują, by skolonizować jakąś powierzchnię - podkreśla Agnese Seminara. Na podstawie składu i antybiotykooporności wyróżniono kilka rodzajów biofilmów. Dotąd jednak nie wiedziano, jaką funkcję w zakresie ruchu komórek na zewnątrz spełniają wici oraz ECM. Choć obecność wici wiązano z większą zdolnością do poruszania się, najnowsze badania Amerykanów pokazały, że w nieznacznym stopniu sprzyjają powstawaniu biofilmu. Gdy zespół Seminary wyhodował zmutowane bakterie pozbawione wici, rozprzestrzeniały się niemal z taką samą prędkością, co niemodyfikowane mikroorganizmy typu dzikiego. Kiedy jednak mutanty nie były w stanie wydzielać ECM, wzrost biofilmu został powstrzymany. Amerykanie prowadzili badania na laseczkach siennych (Bacillus subtilis), występujących pospolicie zwłaszcza w glebie. Spekulowali, że istnieje związek między rozrostem biofilmu a zapotrzebowaniem na składniki odżywcze. Ponieważ biofilmy wchłaniają je za pomocą powierzchni wchodzącej w kontakt ze środowiskiem, wzrost w pionie może zachodzić wyłącznie do osiągnięcia określonego stosunku powierzchni do objętości. Potem nie da się odpowiednio odżywić każdej komórki, dlatego trzeba się rozciągnąć na boki. Ostateczna zmiana kształtu biofilmu zależy od wchłaniania wody pod wpływem zwiększonego ciśnienia osmotycznego i rozchodzenia komórek w poziomie. Seminara i Michael Brenner stworzyli również model matematyczny, który odzwierciedlał wiele poczynionych obserwacji. Udało się wyznaczyć krytyczny moment, kiedy zaczyna się horyzontalny ruch masy. Rodzi się naturalne w tej sytuacji pytanie: czy bakterie aktywnie kontrolują ekspansję biofilmu i mogą go skierować do wybranych celów? Odpowiedź dotyczącą manipulowania środowiskiem przez mikroby poznamy jednak dopiero po zakończeniu kolejnych badań...

Badacze z Argonne National Laboratory amerykańskiego Departamentu Energii i Northwestern University odkryli, że po zawieszeniu w roztworze pospolite bakterie mogą napędzać mikroskopijne koła zębate. Pozwala to mieć nadzieję na opracowanie zainspirowanych biologią rozwiązań energetycznych, które będą się dynamicznie dostosowywać do zmieniających się warunków. Zdolność okiełznania i kontrolowania mocy bakteryjnego ruchu jest istotnym wymogiem dla dalszego rozwoju napędzanych przez mikroorganizmy biomechanicznych systemów hybrydowych. W tym układzie koła zębate są miliony razy bardziej masywne od samych bakterii – wyjaśnia Igor Aronson. Mikroprzekładnie mają przekątną zaledwie 380 mikronów, wliczając w to także pochyłe "szprychy". Umieszcza się je w roztworze z tlenowymi laseczkami siennymi Bacillus subtilis. Andrey Sokolov z Princeton University, Igor Aronson z Argonne National Laboratory oraz Bartosz Grzybowski i Mario M. Apodaca z Northwestern University zaobserwowali, że bakterie wydawały się pływać w losowych kierunkach, ale od czasu do czasu zderzały się z zębami koła i zaczynały je obracać w oznaczonym kierunku. Przekręcenie przekładni wymagało współpracy kilkuset bakterii. Kiedy obok siebie umieszczano kilka kół, a ich wypustki zazębiały się jak w mechanizmie zegara, mikroorganizmy były w stanie wprawiać je w ruch w przeciwnych kierunkach; w parze jedno kręciło się w prawo, a drugie w lewo. Przekładnie obracały się synchronicznie nawet przez dłuższy czas. Nasze odkrycie demonstruje, jak mikroskopijne czynniki pływające, takie jak bakterie czy wykonane przez człowieka nanoroboty, mogą w połączeniu np. ze stalą czy plastikiem utworzyć inteligentne materiały, które dynamicznie zmienią swoją mikrostrukturę, zreperują uszkodzenia lub zasilą mikrourządzenia – podsumowuje Aronson. Prędkością obrotów kół da się zarządzać, manipulując zawartością tlenu w roztworze. Zmniejszając stężenie gazu, badacze spowalniali ruch bakterii i przekładni. Usunięcie go w całości zatrzymywało działanie mechanizmu. Po wprowadzeniu tlenu do układu bakterie ożywały i na nowo zaczynały pływać.