211service.com
Hur mycket kraft producerar bakterier? Det har nu mätts
Bakterier migrerar med hjälp av en rad konstiga ambulatoriska mekanismer. Dessa migrationer tillåter dem att följa byten, att bilda biofilmer och helt enkelt samlas.
Och det väcker en nyfiken fråga. Med tanke på denna förmåga att röra sig, hur mycket kraft producerar bakterier när de går? Med andra ord, hur hårt kan de pressa?
Idag får vi ett svar tack vare Joshua Shaevitz, Benedikt Sabass och Howard Stones arbete vid Princeton University. De här killarna har utvecklat en metod för att mäta de små krafterna som är involverade och visar att när det gäller att knuffa och knuffa, slår bakterier långt över sin vikt.
En typisk bakteriecell är bara några mikrometer lång och har en massa i området 10-15 kilo. Under tyngdkraften skulle en enda cell utöva en kraft på cirka 10 femtonewton. Det är inte en lätt kraft att mäta.
Shaevitz och co försöker det med en teknik som kallas dragkraftsmikroskopi. Detta är baserat på observationen att bakterier deformerar allt mjukt material runt dem när de rör sig. Så genom att mäta dessa deformationer är det möjligt att beräkna krafterna bakom dem.
Experimentet går ut på att placera bakterierna på ett mjukt gelliknande material och sedan använda ett mikroskop för att fotografera dem när de rör sig. Materialet i fråga är ett tunt lager av mjuk elastisk gel gjord av kitosanbelagd polyakrylamid. Denna har välkarakteriserade materialegenskaper som gör det enkelt att beräkna hur mycket kraft som krävs för att deformera den.
Men när deformationerna är små är de svåra att se. Så gelén innehåller även mikropärlor i två olika färger som rör sig när materialet deformeras och är lättare att se. När cellerna rör sig över ytan kan varje förändring av mikropärlornas position användas för att beräkna de deformationer som denna rörelse orsakar.
Shaevitz och co genomför sina experiment på Myxococcus xanthus bakterier, som rör sig med hjälp av två olika mekanismer. Den första är en slags glidrörelse där cellmembranet i kontakt med ytan fungerar som ett tankspår när varelsen rör sig. En enda glidcell producerar krafter på bara några piconewton (10-12 Newton), vilket knappast räcker för att deformera gelén. Vi drar slutsatsen att glidning av enskilda celler är en lågfriktionsprocess som knappast påverkar miljön mekaniskt, säger Shaevitz och co.
Dock, Myxococcus xanthus har ett annat, kraftfullare sätt att röra sig. Detta är en sorts gripkrokmekanism där varje cell producerar små hårliknande utbuktningar som kallas pili som sträcker sig framåt och fäster vid ytan. Genom att rulla in pili drar bakterierna sig själva med hastigheter på runt en mikrometer per sekund, eller ungefär en kroppslängd per sekund.
I det här fallet säger Shaevitz och co att den genomsnittliga kraften som genereras av en enda cell är cirka 50 piconewton - det är 10 gånger högre än för glidrörelse.
Dessutom rör sig bakterier i allmänhet i grupper, så deras kollektiva krafter kan vara mycket högre. Mätningarna visar att grupper av bakterier utövar en kraft på mer än 100 piconewton.
Det är intressant arbete som avslöjar åtminstone några av bakteriernas kapacitet som lokomotivmaskiner.
Det finns dock fortfarande betydande obesvarade frågor. Till exempel är upplösningen för denna typ av dragkraftsmikroskopi cirka 0,5 mikrometer, vilket innebär att deformationer som är mindre än detta inte kan mätas. Så denna teknik missar all dynamik som uppstår i mindre skala.
Det finns också många andra mysterier förknippade med bakteriell rörelse. Till exempel, ingen vet varför Myxococcus xanthus kan röra sig snabbare på mjuk agar än på styv agar. Men den här typen av arbete borde hjälpa till att avslöja svar.
Utöver detta är en intressant fråga hur man kan utnyttja bakteriell rörelse. Om denna rörelse genererar krafter, varför inte använda dem för att trycka spakar, manövrera omkopplare, vrida på hamsterhjul, bära last och så vidare? Det är inte svårt att föreställa sig ett verkligt Disneyland av bakteriell aktivitet.
Naturligtvis fungerar maskiner i denna skala på ett helt annat sätt än den mänskliga skalan - tröghetskrafter blir obetydliga medan andra effekter som van de Waals krafter blir enormt viktiga. Det är något som designers av mikroelektromekaniska enheter har känt till länge - kanske de kan hjälpa?
Det är faktiskt inte bortom fantasin att de kollektiva krafterna hos migrerande bakterier en dag kan utnyttjas för att utföra användbart arbete på mikrometerskalan.
Ref: arxiv.org/abs/1701.00524 : Generering av kollektiv kraft av grupper av migrerande bakterier