Как бактерии E. coli используют поток жидкости и форму каналов для движения против течения и развития инфекций

Бактерии, такие как Escherichia coli (E. coli), способны активно плыть против потока жидкости, что способствует развитию тяжёлых инфекций дыхательных путей, ЖКТ, мочевыводящих путей (UTIs) и контаминации медицинского оборудования.

Исследование навигации бактерий

Учёные создали наноразмерные многоканальные трубки, имитирующие среду внутри тела, чтобы изучить, как E. coli движется против течения. Результаты, опубликованные в Newton, показывают, что более широкие каналы с быстрым встречным потоком на самом деле более подвержены вторжению. Однако эти вторжения можно эффективно подавить конструкциями с острыми углами.

Влияние дизайна канала и потока

Исследователи выделили четыре стадии вторжения, отследили тысячи клеток и объединили данные с моделированием. Ключевые выводы:

• Плавные, закруглённые углы (похожие на поверхности тела) позволяют бактериям легко плыть против течения и быстро заполнять каналы.
• Острые углы нарушают их движение и останавливают распространение.
• В более тонких каналах бактериям сложнее сделать первый шаг — вырваться из колонизированной области.

Это означает, что устройства (например, катетеры) могут сочетать комфорт для пациента (за счёт малого диаметра) и повышенную безопасность (за счёт изгибов и поворотов).

Неожиданная роль потока жидкости

Вопреки ожиданиям, более сильный поток не мешал, а помогал бактериям. Ток действовал как направляющая: бактерии выстраивались вдоль потока и достигали верхних участков быстрее, чем в стоячей или медленно текущей воде.

"В течение минут первые клетки прибывают на самый верхний участок", — отмечают авторы. Достигнув его, эти клетки создают новые колонии и запускают «двустороннее» вторжение, продвигающееся с обоих концов.

Бактерии не колонизируют полость за полостью, а быстро плывут на самый верх, а затем формируют нитевидные биоагрегаты, которые поток переносит вниз, быстро заселяя всю длину устройства. Это увеличивает скорость колонизации примерно в три раза.

Клинические последствия и будущее применение

Это открытие имеет серьёзные клинические последствия для инфекций вроде UTIs: наличие бактерий в нижней части мочевыводящих путей может сигнализировать о более масштабной проблеме выше, например, в почках, ещё до появления полной симптоматики. Поток по умолчанию не защищает организм и при определённых условиях может ускорить заражение.

Эти принципы могут быть использованы не только для профилактики инфекций, но и в дизайне микророботов, способных плыть против течения для точной доставки лекарств, заимствуя стратегии, отточенные бактериями за миллиарды лет.