Een team van onderzoekers van de Université Côte d'Azur en het Centre Scientifique de Monaco heeft onlangs een onderzoek uitgevoerd om de zwempatronen van bacteriën aan de oppervlakte beter te begrijpen. hun papier, gepubliceerd in Natuurfysica , kan enig licht werpen op hoe bacteriën oppervlakken verkennen, hoe ze gastheercellen zoeken en hoe ze deze cellen infecteren.

Bacteriën verplaatsen zich vaak in de buurt van het oppervlak van water of waterige stoffen, wat om een ​​aantal redenen gebeurt. Eerst, voedingsstoffen in waterige omgevingen accumuleren typisch op hun oppervlak. In aanvulling, gastheercellen, die bijzonder vatbaar zijn voor besmetting met pathogene bacteriën, zitten ook op, of maken deel uit van, een oppervlak (d.w.z. een celweefsel).

Onderzoekers onderzoeken al jaren de zwempatronen van bacteriën aan de oppervlakte. Eerdere studies suggereren dat deze patronen worden bepaald door hydrodynamische interacties tussen bacteriën en het oppervlak waarop ze navigeren, die uiteindelijk de bacteriën opsluiten in soepele cirkelvormige banen die leiden tot inefficiënte oppervlakteverkenning.

Natuurkundig onderzoek naar de zwempatronen van bacteriën in de buurt van het oppervlak suggereert dat een individuele bacterie een aantrekkingskracht naar het oppervlak ervaart, evenals een effectief koppel veroorzaakt door de rotatie van de flagellaire bundel, waardoor het in cirkels moet bewegen. Deze goed gedocumenteerde waarneming kan worden verklaard door fundamentele natuurkundige principes.

Bij het beschouwen van het beeld dat door deze waarnemingen wordt geschetst, echter, het is moeilijk te begrijpen hoe bacteriën kunnen overleven, omdat hun hydrodynamische interacties nabij het oppervlak een ernstig obstakel lijken te zijn voor hun overleving. Wat hun uithoudingsvermogen in zulke ongunstige omstandigheden nog raadselachtiger maakt, is het feit dat in evolutionaire termen, bacteriën moeten gemakkelijk oppervlakken kunnen verkennen om voedingsstoffen te vinden en/of kolonisatieplaatsen te lokaliseren.

"We waren erg geïntrigeerd door deze problemen en vermoedden dat deze reductionistische benadering van vloeistofmechanica niet het volledige verhaal kon zijn, "Fernando Peruani, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "We dachten dat bacteriën deze handicap zouden moeten kunnen opvangen:vast komen te zitten in een cirkelvormige baan is zeker geen efficiënte manier om een ​​oppervlak te verkennen. Met dit idee in gedachten, we besloten om te bestuderen hoe verschillende bacteriesoorten zich op oppervlakken verplaatsen met als doel te begrijpen hoe oppervlakteverkenning daadwerkelijk wordt uitgevoerd."

Het werk van Peruani en zijn collega's maakt deel uit van een breder project gericht op een beter begrip van hoe pathogene bacteriën gastheercellen infecteren. In hun recente studie, ze gebruikten videomicroscopie en volgden bacteriën in een relatief groot observatievenster, om lange bacteriële trajecten te verkrijgen. Ze analyseerden later de statistieken van deze trajecten om de zwempatronen van de bacteriën aan de oppervlakte van dichtbij te observeren.

"De abrupte veranderingen in de snelheid weergegeven door de bacteriën, wat erop wees dat bacteriën met tussenpozen stopten, intrigeerde ons meteen, " zei Peruani. "We keken toen naar de verdeling van de tijden dat bacteriën bewogen en niet bewogen en begrepen dat als een Markov-ketenformalisme werd gebruikt om de gegevens te beschrijven, drie staten waren vereist. Deze observatie speelde een sleutelrol in ons onderzoek."

Vervolgens, de onderzoekers bekeken de verzamelde gegevens en analyseerden de perioden waarin de bacteriën waren 'gestopt'. Ze merkten op dat bacteriën vaak aan het oppervlak waren vastgebonden en rond een van de uiteinden van het cellichaam draaiden.

"Het bewijs was duidelijk:bacteriën verkenden het oppervlak door tijdelijke adhesiegebeurtenissen uit te voeren, Peruani zei. "De volgende stap was het construeren van een theorie voor een zwemmer die een interne toestand heeft, gecontroleerd door een Markov-keten, die drie mogelijke waarden aanneemt, elk van hen geassocieerd met een andere bewegingsvergelijking. Dit was een technische uitdaging, maar de moeite heeft zijn vruchten afgeworpen."

De door Peruani en zijn collega's ontwikkelde theorie stelde hen in staat te concluderen dat de frequentie waarmee de waargenomen 'stops' plaatsvonden verre van willekeurig was. In plaats van de activiteit van de bacteriën te belemmeren, deze frequentie leek hun oppervlakte-exploratie te maximaliseren.

De studie van dit team van onderzoekers leidde tot twee zeer belangrijke observaties. Ten eerste, de onderzoekers realiseerden zich dat bacteriën tijdelijke hechting gebruiken als een mechanisme om oppervlakte-exploratie te reguleren. Ten tweede, ze observeerden het bestaan ​​van een optimale stopfrequentie, wat de oppervlakte-exploratie maximaliseert. Enteroheamorragische E. coli (EHEC) en andere pathogene bacteriën lijken deze frequentie op zijn optimale waarde af te kunnen stemmen.

"Deze twee observaties geven een beter begrip van hoe bacteriën oppervlakken verkennen, wat een noodzakelijke stap is om op te helderen hoe ze naar gastheercellen zoeken, en hoe bacteriën ze infecteren, " zei Peruani. "Een belangrijke boodschap van deze studie is dat een fysiek begrip over hoe bacteriën zich op oppervlakken bewegen niet uitsluitend gebaseerd kan zijn op hydrodynamische interacties. Adhesie-interacties spelen ook een cruciale rol. Bovendien, het is het samenspel tussen adhesie en de activiteit van de flagellaire bundel waardoor bacteriën zich kunnen heroriënteren en ontsnappen uit de cirkelvormige vallen die worden opgelegd door hydrodynamische interacties."

De observaties verzameld door Peruani en zijn collega's bieden waardevolle nieuwe inzichten in de goed gedocumenteerde zwempatronen van bacteriën aan de oppervlakte. De onderzoekers plannen nu verdere studies om te begrijpen hoe pathogene bacteriën gastheercellen zoeken en infecteren. Voor verschillende soorten bacteriën, ze verwachten verschillende zoek- en kolonisatiestrategieën te observeren. Echter, ze vermoeden ook dat het aantal strategieën dat ze zullen observeren aanzienlijk kleiner zal zijn dan het aantal bestaande soorten pathogene bacteriën.

"Een kwantitatieve, fysiek begrip van bacteriële infecties, die nog steeds ontbreekt, kan hints geven over het voorkomen van bacteriële infecties, Peruani voegde toe. "Onze studie, bijvoorbeeld, geeft aan dat oppervlakteadhesie een cruciale rol speelt bij oppervlakteverkenning. Anderzijds, oppervlakteadhesie hangt af van de specifieke adhesinen van de bacteriën, evenals op de fysieke eigenschappen van het oppervlak, en we zullen zeker proberen manieren te bedenken om die fysieke eigenschappen te wijzigen."

© 2019 Wetenschap X Netwerk