Бактерии используют жгутики как буры для проникновения в микроскопические пространства

Исследователи раскрыли, как бактерии пробиваются через пространства, едва превышающие их собственные размеры, оборачивая свои жгутики вокруг тела и двигаясь вперёд. Используя микрофлюидное устройство, имитирующее каналы кишечника насекомых, команда обнаружила удивительное движение «обёртывания жгутиком», которое позволяет симбиотическим бактериям проходить через туннели шириной всего 1 микрометр. Генетические манипуляции и математические расчёты показали, что гибкость крошечного сочленения в жгутике, называемого крюком, имеет решающее значение для этого винтообразного движения и даже определяет, смогут ли бактерии успешно заразить своих насекомых-хозяев.

Исследовательская группа из Японии под руководством доктора Дайсукэ Наканэ и доктора Тэцуо Кана из Университета электронных коммуникаций, доктора Хирофуми Вада из Университета Рицумэйкан и доктора Ёситомо Кикути из Национального института передовых промышленных наук и технологий опубликовала своё исследование в журнале Nature Communications.

Как обёртывание жгутиком обеспечивает движение

Исследование показывает, что определённые симбиотические бактерии оборачивают свои вращающиеся жгутики — спиралевидные хвосты, используемые для плавания, — вокруг своих клеточных тел, образуя «винтовую резьбу». Эта конфигурация позволяет им продвигаться вперёд через проходы шириной в 1 микрометр, например, внутри кишечника насекомых, которые в противном случае захватили бы или обездвижили их.

Чтобы визуализировать это замечательное движение, исследователи построили квазиодномерное микрофлюидное устройство, воспроизводящее геометрию «сортировочного органа» кишечника насекомого. Под микроскопом бактерии под названием Caballeronia insecticola наблюдались плавно продвигающимися через узкие каналы, многократно оборачивая и разворачивая свои жгутики. В отличие от них, родственные виды, не способные выполнять это обёртывание, оставались застрявшими.

Компьютерное моделирование подтвердило физическое преимущество режима обёртывания: в ограниченном пространстве нормальное вращение жгутика просто перемешивает жидкость, в то время как обёрнутый жгутик эффективно генерирует тягу от стенок, как вращающийся штопор, эффективно проталкивая клетку вперёд.

Команда также продемонстрировала, что гибкое сочленение, известное как крюк, которое соединяет мотор жгутика с его нитью, является ключом к осуществлению этого движения. Когда исследователи заменили гены крюка у «обёртывающего» вида на гены от «не-обёртывающего» вида, способность двигаться в ограниченном пространстве — и даже заражать насекомых-хозяев — была соответственно утрачена.

Значение для биологии и инженерии

Это открытие подчёркивает новую физическую стратегию выживания среди бактерий, раскрывая, как простые микроорганизмы могут использовать механические принципы для навигации в сложных средах.

Помимо биологического значения, понимание этих движений микроскопического «бурения» может вдохновить на создание микророботов, способных перемещаться в вязких или переполненных средах, таких как ткани или системы фильтрации.

«Обёртывание жгутиком показывает, как жизнь решает механические проблемы элегантными, неожиданными способами, — говорит доктор Наканэ. — Это микроскопическая версия инженерной изобретательности, развитая самой природой».

Это исследование не только расширяет наши знания о поведении микроорганизмов, но и открывает новые горизонты для биоинспирированной робототехники. Подобные механизмы могут быть использованы для создания медицинских микророботов, способных целенаправленно доставлять лекарства в труднодоступные участки организма, или для разработки новых систем микрогидродинамики.