Как бактерии плывут против течения

Известно, что бактерии могут плыть против потока, что часто создаёт серьёзные проблемы — например, при их распространении в водопроводных трубах или медицинских катетерах. Чтобы предотвратить или хотя бы замедлить распространение бактерий в биологических или медицинских каналах, учёным нужно понять механизм их движения против течения. Международной исследовательской группе, включая команду Анке Линднер и Эрика Клемана из лаборатории PMMH ESPCI Paris (PSL University), удалось ответить на этот вопрос с помощью экспериментов и математических расчётов. Результаты, описывающие все ключевые аспекты этого удивительного поведения бактерий, опубликованы в Nature Communications. Эти данные могут помочь в разработке медицинских устройств, препятствующих движению бактерий вверх по потоку.

Между физикой и биологией

Многие бактерии, такие как E. coli, перемещаются с помощью небольших спиральных жгутиков, но способ их движения сильно отличается от движения рыбы. Рыба чувствует направление течения и может сознательно плыть в определённую сторону, тогда как поведение гораздо более простых бактерий можно объяснить фундаментальными физическими законами.

Бактерии часто накапливаются на поверхностях, погружённых в жидкость, например, в плохо очищенной душевой кабине, канализационной трубе или катетере. Оказывается, на таких поверхностях бактерии мигрируют против течения. Таким образом, они не смываются потоком, а движутся вверх по течению. Вместе с коллегами из Стэнфордского университета, Оксфордского университета и TU Wien группа Анке Линднер и Эрика Клемана занялась поиском физического объяснения этому эффекту.

Теория и эксперимент

Чтобы отследить реакцию бактерий на течение, группа PMMH наблюдала за E. coli в микрофлюидных каналах шириной в несколько сотен микрон — примерно как человеческий волос. Они плавно увеличивали скорость потока среды через каналы, чтобы наблюдать за динамикой бактерий.

Исследователи использовали недавно разработанные мощные инструменты наблюдения. С помощью автоматического 3-D-трекера они смогли отслеживать бактерии вдоль их траекторий движения против течения. Используя флуоресцентное окрашивание, они наблюдали за бактериями и их жгутиками, обнаружив колебательное движение бактерий. «Поразительно, как, глядя в микроскоп, можно с такой точностью раскрыть динамику бактерий», — отмечает Анке Линднер.

Экспериментальные наблюдения выявили разнообразное поведение в зависимости от скорости потока. При медленном течении бактерии просто вращаются по кругу. При определённой скорости они начинают двигаться против направления потока. При ещё более сильном течении они колеблются взад-вперёд по поверхности или разделяются на две группы, движущиеся в разных направлениях.

Команды из TU Wien и Стэнфорда использовали математические методы, чтобы рассчитать, как бактерия может ориентироваться и вращаться в текущей жидкости. Они проанализировали, как поток взаимодействует с движением жгутиков и какие возможности движения бактерий из этого вытекают. Вся гамма паттернов движения бактерий может быть объяснена с помощью единственной математической формулы. «Согласие между экспериментами и симуляциями оказалось чрезвычайно хорошим, — подчёркивает Анке Линднер, — что подтверждает мощь разработанной математической формулы». Кроме того, результаты очень устойчивы и не зависят от специфических деталей, поэтому их можно применять к разным типам бактерий.

Команда надеется, что новое понимание движения бактерий позволит найти методы, предотвращающие их движение против течения. «В будущем, возможно, удастся оснащать катетеры специфической геометрической структурой поверхности, которая не позволит бактериям мигрировать против тока и, таким образом, предотвратит возникновение серьёзных инфекций», — надеется Анке Линднер.