Hoeveel kracht produceren bacteriën? Het is nu gemeten

Bacteriën migreren met behulp van een reeks merkwaardige ambulante mechanismen. Deze migraties stellen hen in staat om prooien te volgen, biofilms te vormen en eenvoudig te aggregeren.

En dat roept een merkwaardige vraag op. Gezien dit vermogen om te bewegen, hoeveel kracht produceren bacteriën als ze gaan? Met andere woorden, hoe hard kunnen ze duwen?

Vandaag krijgen we een antwoord dankzij het werk van Joshua Shaevitz, Benedikt Sabass en Howard Stone aan de Princeton University. Deze jongens hebben een methode ontwikkeld om de kleine krachten te meten die erbij komen kijken en laten zien dat als het om duwen en schuiven gaat, bacteriën ver boven hun gewicht slaan.

Een typische bacteriële cel is slechts enkele micrometers lang en heeft een massa in de buurt van 10-15 kilogram. Onder de zwaartekracht zou een enkele cel een kracht van ongeveer 10 femtonewton uitoefenen. Dat is geen gemakkelijke kracht om te meten.

Shaevitz en co proberen het met behulp van een techniek die bekend staat als tractiekrachtmicroscopie. Dit is gebaseerd op de waarneming dat bacteriën elk zacht materiaal om hen heen vervormen terwijl ze bewegen. Dus door deze vervormingen te meten, is het mogelijk om de krachten erachter te berekenen.

Het experiment omvat het plaatsen van de bacteriën op een zacht gelachtig materiaal en vervolgens met behulp van een microscoop om ze te fotograferen terwijl ze bewegen. Het materiaal in kwestie is een dunne laag zachte elastische gel gemaakt van met chitosan gecoat polyacrylamide. Dit heeft goed gekarakteriseerde materiaaleigenschappen waardoor het eenvoudig is om te berekenen hoeveel kracht nodig is om het te vervormen.

Maar als de vervormingen klein zijn, zijn ze moeilijk te zien. De gel bevat dus ook microbolletjes van twee verschillende kleuren die bewegen als het materiaal vervormt en gemakkelijker te zien zijn. Terwijl cellen over het oppervlak bewegen, kan elke verandering in positie van de microbeads worden gebruikt om de vervormingen te berekenen die deze beweging veroorzaakt.

Shaevitz en co voeren hun experimenten uit op Myxococcus xanthus bacteriën, die bewegen met behulp van twee verschillende mechanismen. De eerste is een soort glijdende beweging waarbij het celmembraan in contact met het oppervlak zich gedraagt ​​als een tankspoor terwijl het schepsel beweegt. Een enkele glijdende cel produceert krachten van slechts enkele piconewtons (10-12 Newton), wat nauwelijks genoeg is om de gel te vervormen. We concluderen dat het glijden van individuele cellen een proces met lage wrijving is dat de omgeving mechanisch nauwelijks beïnvloedt, zeggen Shaevitz en co.

Echter, Myxococcus xanthus een andere, krachtigere manier van bewegen hebben. Dit is een soort grijphaakmechanisme waarbij elke cel kleine haarachtige uitsteeksels produceert, een pili genaamd, die naar voren reiken en zich aan het oppervlak hechten. Door de pili op te rollen, trekken de bacteriën zich voort met snelheden van ongeveer één micrometer per seconde, ofwel ongeveer één lichaamslengte per seconde.

In dit geval zeggen Shaevitz en co dat de gemiddelde kracht die door een enkele cel wordt gegenereerd ongeveer 50 piconewton is - dat is 10 keer hoger dan voor glijdende beweging.

Bovendien verplaatsen bacteriën zich over het algemeen in groepen, dus hun collectieve krachten kunnen veel groter zijn. Uit de metingen blijkt dat groepen bacteriën een kracht uitoefenen van meer dan 100 piconewton.

Dat is interessant werk dat op zijn minst enkele van de mogelijkheden van bacteriën als locomotiefmachines onthult.

Er zijn echter nog belangrijke onbeantwoorde vragen. De resolutie van dit soort trekkrachtmicroscopie is bijvoorbeeld ongeveer 0,5 micrometer, wat betekent dat kleinere vervormingen niet kunnen worden gemeten. Deze techniek mist dus elke dynamiek die op kleinere schaal voorkomt.

Er zijn ook tal van andere mysteries die verband houden met bacteriële beweging. Niemand weet bijvoorbeeld waarom Myxococcus xanthus kan sneller bewegen op zachte agar dan op stijve agar. Maar dit soort werk zou antwoorden moeten helpen onthullen.

Daarnaast is een interessante vraag hoe bacteriële beweging kan worden benut. Als deze beweging krachten genereert, waarom gebruikt u ze dan niet om hendels in te drukken, schakelaars te bedienen, hamsterwielen te draaien, vracht te vervoeren, enzovoort? Het is niet moeilijk om je een waar Disneyland van bacteriële activiteit voor te stellen.

Machines op deze schaal werken natuurlijk op een heel andere manier dan de menselijke schaal - traagheidskrachten worden onbeduidend, terwijl andere effecten, zoals de krachten van Van de Waal, enorm belangrijk worden. Dat is iets wat ontwerpers van micro-elektromechanische apparaten al lang weten - misschien kunnen ze helpen?

Het is inderdaad niet onvoorstelbaar dat de collectieve krachten van migrerende bacteriën ooit zouden kunnen worden gebruikt om nuttig werk op micrometerschaal uit te voeren.

Referentie: arxiv.org/abs/1701.00524 : Collectieve krachtopwekking door groepen migrerende bacteriën

zich verstoppen