211service.com
Hvor mye kraft produserer bakterier? Det er nå blitt målt
Bakterier migrerer ved hjelp av en rekke nysgjerrige ambulerende mekanismer. Disse migrasjonene lar dem følge byttedyr, danne biofilmer og ganske enkelt samle seg.
Og det reiser et nysgjerrig spørsmål. Gitt denne evnen til å bevege seg, hvor mye kraft produserer bakterier mens de går? Med andre ord, hvor hardt kan de presse?
I dag får vi svar takket være arbeidet til Joshua Shaevitz, Benedikt Sabass og Howard Stone ved Princeton University. Disse gutta har utviklet en metode for å måle de bittesmå kreftene som er involvert og viser at når det kommer til å dytte og dytte, slår bakterier langt over vekten.
En typisk bakteriecelle er bare noen få mikrometer lang og har en masse i området 10-15 kilo. Under tyngdekraften vil en enkelt celle utøve en kraft på rundt 10 femtonewtons. Det er ikke en lett kraft å måle.
Shaevitz og co forsøker det ved å bruke en teknikk kjent som trekkraftmikroskopi. Dette er basert på observasjonen at bakterier deformerer alt mykt materiale rundt seg når de beveger seg. Så ved å måle disse deformasjonene er det mulig å beregne kreftene bak dem.
Eksperimentet innebærer å plassere bakteriene på et mykt gellignende materiale og deretter bruke et mikroskop for å fotografere dem mens de beveger seg. Materialet det er snakk om er et tynt lag myk elastisk gel laget av kitosanbelagt polyakrylamid. Denne har godt karakteriserte materialegenskaper som gjør det enkelt å beregne hvor mye kraft som skal til for å deformere den.
Men når deformasjonene er små, er de vanskelige å se. Så gelen inneholder også mikroperler i to forskjellige farger som beveger seg ettersom materialet deformeres og er lettere å se. Når celler beveger seg over overflaten, kan enhver endring i posisjonen til mikroperlene brukes til å beregne deformasjonene som denne bevegelsen forårsaker.
Shaevitz og co utfører sine eksperimenter på Myxococcus xanthus bakterier, som beveger seg ved hjelp av to forskjellige mekanismer. Den første er en slags glidebevegelse der cellemembranen i kontakt med overflaten fungerer som et tankspor når skapningen beveger seg. En enkelt glidende celle produserer krefter på bare noen få piconewton (10-12 Newton), som neppe er nok til å deformere gelen. Vi konkluderer med at gliding av individuelle celler er en lavfriksjonsprosess som knapt påvirker miljøet mekanisk, sier Shaevitz og co.
Derimot, Myxococcus xanthus har en annen, kraftigere måte å bevege seg på. Dette er en slags gripekrokmekanisme der hver celle produserer små hårlignende fremspring kalt pili som strekker seg fremover og fester seg til overflaten. Ved å rulle inn pili trekker bakteriene seg med hastigheter på rundt én mikrometer per sekund, eller omtrent én kroppslengde per sekund.
I dette tilfellet sier Shaevitz og co at den gjennomsnittlige kraften som genereres av en enkelt celle er omtrent 50 piconewton - det er 10 ganger høyere enn for glidende bevegelser.
Dessuten beveger bakterier seg vanligvis i grupper, så deres kollektive krefter kan være mye høyere. Målingene viser at grupper av bakterier utøver en kraft på mer enn 100 piconewton.
Det er interessant arbeid som avslører i det minste noen av egenskapene til bakterier som lokomotivmaskiner.
Det er imidlertid fortsatt betydelige ubesvarte spørsmål. For eksempel er oppløsningen til denne typen trekkraftmikroskopi omtrent 0,5 mikrometer, noe som betyr at deformasjoner som er mindre enn dette ikke kan måles. Så denne teknikken går glipp av enhver dynamikk som oppstår i mindre skala.
Det er også mange andre mysterier knyttet til bakteriebevegelse. For eksempel vet ingen hvorfor Myxococcus xanthus kan bevege seg raskere på myk agar enn på stiv agar. Men denne typen arbeid bør bidra til å avsløre svar.
Utover dette er et interessant spørsmål hvordan man kan utnytte bakteriebevegelse. Hvis denne bevegelsen genererer krefter, hvorfor ikke bruke dem til å skyve spaker, betjene brytere, dreie hamsterhjul, frakte last og så videre? Det er ikke vanskelig å forestille seg et veritabelt Disneyland med bakteriell aktivitet.
Selvfølgelig fungerer maskineri i denne skalaen på en helt annen måte enn den menneskelige skalaen - treghetskrefter blir ubetydelige mens andre effekter som van de Waals krefter blir enormt viktige. Det er noe designere av mikroelektromekaniske enheter lenge har visst - kanskje de kan hjelpe?
Det er faktisk ikke hinsides fantasien at de kollektive kreftene til migrerende bakterier en dag kan bli utnyttet til å utføre nyttig arbeid på mikrometerskalaen.
Ref: arxiv.org/abs/1701.00524 : Generering av kollektiv kraft av grupper av migrerende bakterier