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科学家设计出细菌流体速度计 细菌竟能探测液速!

文章来源: 科技工作者       发布时间:2019-05-15

许多细胞都能感觉到流动,例如皮肤细胞就能感觉到微风和强风的区别。但我们依靠的是对压力的感受。没有力,我们就无法分辨速度——在封闭的室内,皮肤感受不到空气的流动。但现在,普林斯顿大学的一组研究人员发现,有些细菌实际上可以不受力的影响探测到液体流动的速度。研究人员通过连接铜绿假单胞菌的流量检测基因和一个用于发光的基因,设计了实时流体速度计,流速越快,发出的光就越亮。相关论文于近日在线发表于《自然·微生物学》杂志上。


科学家设计出细菌流体速度计 细菌竟能探测液速!


“我们把细菌设计成了流体速度计,实际上我们可以把这些细菌作为实时监测某些流体速度的流量传感器。”通讯作者、普林斯顿大学的生物学教授Zemer Gitai说。


科学家设计出细菌流体速度计 细菌竟能探测液速!

铜绿假单胞菌,图片来源网络


这种内置速度计的细菌名为铜绿假单胞菌,是一种无处不在的病原体,存在于人体、水流、土壤和整个医院中。Gitai说:“假单胞菌喜欢在管道中生长。事实上,它几乎总是存在于流动的液体中:血管、泌尿道、消化道,甚至肺或导尿管等医疗设备中,是术后感染的主要载体之一。”“我们发现,假单胞菌不是偶然存在于流体中,它们实际上能够感知并对流体做出反应。这是一件大事。如果它们处于流体中,那就可以根据感觉改变自己的‘行为’。”


Gitai实验室博士后研究员Joseph Sanfilippo和2017年研究生校友Alexander Lorestani是这篇论文的主要作者。他们共同确定,细菌可以检测甚至测量附近液体的流速,从而激活一组基因,他们称这些基因为“fro(flow-regulated operon)”,即“流量调节操纵子”。


Fro反应不仅仅是一个开关,它实际上是根据速度来调整的,因此更像是一个调光开关。研究人员通过生物工程将fro和导致假单胞菌发光的基因连接起来(这样在显微镜下就可以看到fro的基因反应),从而创造出一个直观的实时流速计:流速越快,发出的光就越亮。


使用这个工具,Sanfilippo确定了假单胞菌对流速的反应范围,结果令人惊讶:“它们得出的结果与血管和尿路中已知的液体速度范围完全一致,”Gitai说。


考虑到细菌的微观尺度以及测试fro反应的流室的大小(50微米高500微米宽),研究人员并没有测量传统的速度单位(米/秒),而是测量了“剪切速率”,即相邻层的流体通过的速度。结果发现,fro对剪切速率低于8次/秒的流动没有反应,这个速度比在人体中发现的大多数液体都要慢,但它确实对剪切速率在40~400次/秒之间的流体做出了反应,然后稳定在这个水平上。而平均大小的人体静脉的剪切速率约为100次/秒。Sanfilippo说:“fro反应的速度就是液体流经你身体的速度。”


加州大学旧金山分校的传染病科主任、微生物学和免疫学教授Joanne Engel说:“由于这种感知机制很可能在整个生物学中都存在,它可能具有广泛的应用,甚至可能对开发治疗细菌感染的新药(抗生素)有用,尤其是血液感染(如败血症)。”


Sanfilippo和他的同事们最初认为,假单胞菌对流体的敏感性必须依赖于它感知力的能力, Gitai说,流速和力之间的直觉联系导致了这个领域的一个普遍盲点。其他研究人员发现,不同的细菌可以对液体流动做出反应,而且他们已经假设这就是流体流动的力。人们直觉地认为这应该是一种力,也没有费心去明确地测试它。”


检验这一假设的方法来自论文的合著者Howard Stone,他是一名机械和航天工程教授。Stone设计了实验来检测细菌是否对力有反应:将细菌置于以相同速度流动的不同粘度或浓度的材料中。如果把水倒在手上,然后以同样的速度把蜂蜜倒在上面,越粘稠的蜂蜜就会对皮肤施加越大的压力,手也会感到更大的力量。Sanfilippo对粘度比默认介质高10倍的流体进行了实验,发现fro只对剪切速率有反应,而对较浓流体的力没有反应。


Howard的实验使得研究人员得出结论,假单胞菌完全根据物质流动的速度来调节自己的反应,这在以前从未被记录过。为了将这一现象与其他已经在细菌中的机械传感区别开来,研究小组创造了“流变”一词来描述这种现象。


科学家设计出细菌流体速度计 细菌竟能探测液速!


Gitai说;“细菌如何在流体中生存是一个完全未被探索的领域。我们希望人们用其他细菌来研究这个领域。正如我们所说,在哺乳动物研究中有一个巨大的假设,即一切都是依赖于力的——我们希望人们阅读我们的论文,然后回过头来重新审视其中的一些假设。”


目前还不清楚假单胞菌如何从感知周围液体的速度中获益,但它可能与病原体的多功能性有关。Gitai说:“假单胞菌有一个巨大的军火库,可以通过不同的方式进行攻击。有一种假设是,它想知道什么时候合适使用军火库中的什么武器。如果你有烧伤,它就黏附在你的皮肤上,也许它用来伤害你的基因和它在泌尿道或血液中使用的是不同的。它能够知道周围是否有流体,从而帮助它调整对周围环境的反应。”


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