Тепловые флуктуации и колебательные моды определяют поглощение бактерий клетками
Исследователи из Фрайбурга внесли важный вклад в понимание того, как и с какими усилиями бактерия или вирус проникает в клетку, вызывая инфекцию.
Команда под руководством физика профессора Александра Рорбаха и его коллеги доктора Ярени Айялы показала, как тепловые флуктуации модели бактерии и колебательные моды мембраны модели клетки влияют на энергию, с которой модель бактерии прикрепляется и проникает в мембрану. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Экспериментальная модель
В лаборатории лазерные и биофизики создали эксперимент для изучения физики инфекционных процессов:
- Модель клетки: гигантская униламеллярная везикула (GUV) диаметром около 20 микрометров, выполняющая роль "шаткого воздушного шара".
- Модель бактерии: сферическая частица размером один микрометр, выполняющая роль "липкой конфеты".
- Метод: с помощью лазерного пинцета частицу захватывали, подводили к мембране, контактировали с ней и деформировали мембрану до полного поглощения частицы.
Роль тепловых флуктуаций
С помощью оптического пинцета и рассеяния лазерного света измерялись не только необходимые силы и энергии, но и тепловое движение частицы (броуновское движение), необходимое для её поглощения. Молекулы воды в растворе сталкиваются с частицей и возбуждают колебания мембранного пузыря (мембранные моды) с разными амплитудами и длинами волн.
Исследователи предполагают, что плазматические мембраны живых клеток в организме также совершают подобные колебания и взаимодействуют с тепловым движением бактерий, что в определённых условиях приводит к поглощению частицы и инфицированию клетки.
Анализ данных и физическая модель
Первоначально данные о флуктуациях частицы в лазерной ловушке визуально почти не отличались при разных расстояниях до мембраны или для разных мембран. Значимые различия в паттернах движения проявились только после иного анализа данных.
Для интерпретации результатов использовалась аналогия с физикой струнных инструментов:
- Увеличение натяжения мембраны (за счёт внутреннего давления или изменения химического состава) приводит к возбуждению мод с более высокими частотами.
- При контакте бактерии с мембраной подавляются основные низкочастотные колебания, выживают только моды с более высокими частотами (короткими длинами волн).
Компьютерное моделирование, учитывающее собственное затухание (трение) каждой колебательной моды, позволило оценить суммарное затухание и амплитуду всех выживших мод.
Ключевые выводы
Измерения и компьютерное моделирование показали, что энергия, необходимая для деформации мембраны частицей до её полного поглощения, сильно зависит от жёсткости и, что особенно важно, от затухания мембранных движений.
Модели могут объяснить:
- Почему бактерии с определёнными белками (лигандами) на поверхности легче связываются с клетками, имеющими определённые мембранные рецепторы.
- Как более сильная флуктуация и меньшее затухание мембраны снижают энергетические затраты на поглощение бактерии, тем самым повышая вероятность инфицирования клетки.