Кишечная палочка и сальмонелла получили неожиданное преимущество благодаря множеству жгутиков
Некоторые бактерии способны распространяться против потока жидкости намного эффективнее других благодаря множеству жгутиков на поверхности клетки. Эксперименты показали, что при одинаковых условиях многожгутиковые кишечная палочка и сальмонелла накапливались выше по потоку с плотностью до пяти порядков выше, чем бактерии с одним полярным жгутиком. При этом преимущество оказалось связано не с большей скоростью плавания, а с особенностями движения клеток возле поверхности.
Способность бактерий двигаться против течения известна как реотаксис. Она представляет особый интерес, поскольку микроорганизмы постоянно сталкиваются с потоками жидкости в естественной среде и организме. Например, движение происходит в кишечнике, дыхательных и мочевыводящих путях, а также внутри медицинских устройств и трубок. Ранее эксперименты уже показывали, что Escherichia coli может ориентироваться и плыть против потока возле твёрдых поверхностей.
В новой работе исследователи сравнили четыре вида бактерий с разным строением двигательного аппарата. Escherichia coli и Salmonella enterica имеют несколько жгутиков, распределённых по поверхности клетки. У Pseudomonas aeruginosa и Vibrio cholerae имеется один полярный жгутик. Учёные использовали микрофлюидные эксперименты, направленную эволюцию, генетические методы, трёхмерную голографическую микроскопию и гидродинамическое моделирование.
Эксперименты выявили большое различие в способности этих микроорганизмов продвигаться против течения. Многожгутиковые E. coli и S. enterica значительно эффективнее накапливались выше по потоку, причём разница с одножгутиковыми видами в некоторых условиях достигала пяти порядков величины.
Причиной оказалась не обычная скорость плавания. Vibrio cholerae, например, могла плавать примерно в три раза быстрее многожгутиковых бактерий, но всё равно значительно хуже распространялась против потока. Это показало, что для движения в такой среде одной высокой скорости недостаточно.
Главное преимущество нескольких жгутиков проявлялось возле поверхности. Они влияли на ориентацию клетки и помогали ей дольше оставаться в области, где гидродинамические взаимодействия позволяют двигаться против течения. В результате бактерия получала больше возможностей продвигаться вверх по потоку вместо того, чтобы быть унесённой жидкостью.
Чтобы проверить роль жгутиков непосредственно, исследователи изменяли их количество и длину. Полученные результаты подтвердили связь между строением жгутикового аппарата и способностью бактерий распространяться против течения. Таким образом, различия между видами нельзя объяснить только скоростью их самостоятельного движения.
Результат дополняет предыдущие исследования многожгутиковых бактерий. Ранее было показано, что увеличение количества жгутиков помогает E. coli поддерживать примерно постоянную скорость плавания при увеличении размера клетки. Дополнительные жгутики распределяют нагрузку между двигателями и компенсируют возрастающее сопротивление жидкости. Новая работа показывает ещё одно возможное преимущество такой конструкции — более эффективное распространение против потока.
При этом большое количество жгутиков нельзя считать универсальным преимуществом бактерий. Их создание и работа требуют энергии, а другие исследования показывают существование эволюционного компромисса между подвижностью и затратами клетки. Например, эксперименты с Pseudomonas aeruginosa показали, что искусственно полученные многожгутиковые варианты могли медленнее расти и уступать исходным бактериям по некоторым показателям приспособленности.
Авторы новой работы считают, что обнаруженный механизм может быть важен для понимания распространения бактерий в средах с постоянным движением жидкости. Он также помогает объяснить, почему в ходе эволюции разные виды сохранили настолько различное устройство жгутикового аппарата.
Полученные результаты пока основаны на контролируемых экспериментах и гидродинамических моделях. Они не означают, что многожгутиковые бактерии обязательно распространяются в организме в десятки тысяч раз эффективнее или являются более опасными патогенами. В реальных биологических системах на их движение дополнительно влияют геометрия тканей, слизь, химические сигналы, иммунные реакции и свойства окружающей жидкости.
Исследование на arXiv.