Ученые открыли новый, ранее неизвестный способ передвижения бактерий по поверхностям, для которого не нужны жгутики. Эти микроорганизмы на краю колонии переваривают сахара, выделяют метаболиты и создают осмотическое давление. Оно вызывает микроскопическое «цунами», и на нем бактерии катятся вперед.
Бактерии двигаются в жидкой среде, вращая жгутиками. Но они умеют двигаться и по сухим поверхностям. Например, с помощью пилей — отростков на мембране, которые цепляются за субстрат и подтягивают бактерию. Или с помощью белков, которые крепятся к субстрату и позволяют бактерии катиться на них, словно на гусеничном ходу. Способы передвижения бактерий по твердой поверхности изучены не досконально.
Авторы исследования, опубликованного в издании Journal of Bacteriology, изучали роение бактерий. Роением называют такое их поведение, при котором колония медленно расползается по поверхности питательной среды. Механизм этого расползания ясен не до конца. Вероятно, бактерии используют вращение жгутиков? Может, еще какие-то механизмы?
Ученые отключили у бактерий сальмонелл и кишечной палочки гены, необходимые для формирования жгутиков, чтобы посмотреть, как они будут роиться теперь. Микробиологи поместили бактерии на сухие агаровые пластины. Ожидалось, что бактерии без жгутиков расползаться не смогут.
Бактерии расползались. Ученым пришлось как-то объяснять этот феномен. Возможно, бактерии выделяли поверхностно-активные вещества, смазывали ими среду и скользили? Тогда в чашки Петри добавили ПАВ Tween-80, ожидая, что колония станет распространяться еще активнее.
Бактерии перестали расползаться почти совсем. Это значит, что ПАВ не только не помогает, но и мешает. Тогда ученые обратили внимание на другую деталь: расползание происходило только в присутствии сахара, например глюкозы. Это навело на мысль: что, если дело не в движении, а в еде? Точнее, в побочных продуктах ее переработки. Новая гипотеза заключалась в том, что именно эти вещества и толкают колонию вперед.
Сначала проверили разные сахара. Движение было только на тех, которые бактерии умеют сбраживать. Затем в питательную среду добавили pH-индикатор, меняющий цвет в кислой среде. Колония, расползаясь, оставляла за собой яркий желтый кислотный след — прямое доказательство идущей ферментации. Анализ показал наличие ацетата и формиата (солей уксусной и муравьиной кислот) — продуктов переработки сахаров.
Если ферментация — причина движения, то ее отключение должно остановить расползание. С помощью генной инженерии ученые «сломали» у бактерий ключевой ген, необходимый для этого процесса. Результат был однозначным: движение прекратилось полностью.
Но как ферментация заставляет колонию двигаться? Продукты брожения — соли. Они накапливаются на краю колонии, создают высокое осмотическое давление и вытягивают воду из желеобразной питательной среды. Ученые предположили, что этот приток воды должен создавать на переднем крае колонии микроскопическую волну, которая и толкает бактерии вперед.
Чтобы увидеть эту волну, применили оптическую профилометрию — метод для постреония трехмерной карты поверхности. И исследователи увидели ее. Прямо на переднем крае колонии возвышался четко различимый водяной вал высотой около 60 микрометров — тоньше человеческого волоса.
Бактерии едят сахара и выделяют соленые метаболиты. Соли вытягивают из питательной среды воду. Она образует по краю колонии волну, и на этой волне бактерии растекаются все дальше. Бактерии плывут на волне, которую создают сами. Ученые назвали это явление «свошинг», что можно перевести как «накат» или «заплеск» — разбившаяся волна прибоя, набегающая на пляж.
Расползание бактерий по поверхностям — ключевой этап в образовании биопленок на катетерах, имплантах, в ранах. Традиционные методы борьбы с распространением колоний часто нацелены на блокировку жгутиков. Новое исследование показывает, что даже если отключить жгутики, у них есть запасной, чисто физический способ колонизировать поверхности. Это необходимо учитывать при разработке новых методов борьбы с распространением инфекций.