Viskoelastizität verbessert die kollektive Bewegung von Bakterien Zusammenfassung Bakterien bilden die menschliche und tierische Mikrobiota. Sie sind die Hauptursache vieler Infektionen und stellen eine wichtige Wirkstoffklasse dar. Konzentrierte Bakteriensuspensionen zeigen eine großräumige turbulente Fortbewegung und Schwärmerei. Während das kollektive Verhalten von Bakterien in Newtonschen Flüssigkeiten relativ gut verstanden ist, bleiben für komplexe Flüssigkeiten noch viele grundlegende Fragen offen. Hier berichten wir über die kollektive Bewegung von Bakterien in einer repräsentativen nicht-Newtonschen biologischen viskoelastischen Umgebung, beispielhaft dargestellt durch Schleim . Die Experimente werden mit synthetischem Schweinemagenschleim, natürlichem Kuhzervixschleim und einer Newton-ähnlichen Polymerlösung durchgeführt. Wir haben herausgefunden, dass eine Erhöhung der Mucinkonzentration und entsprechend eine Erhöhung der Suspensionselastizität die Längenskala der kollektiven bakteriellen Fortbewegung monoton vergrößert. Im Gegensatz dazu bleibt diese Länge in einer Newtonschen Polymerlösung über einen weiten Konzentrationsbereich nahezu unverändert. Experimentelle Beobachtungen werden durch Rechenmodelle unterstützt. Unsere Ergebnisse geben Aufschluss darüber, wie Viskoelastizität die räumlich-zeitliche Organisation bakterieller aktiver Materie beeinflusst. Sie erweitern auch unser Verständnis der bakteriellen Besiedlung von Schleimhautoberflächen und der Entstehung von Antibiotikaresistenzen durch Schwärmen. |
Wichtige Erklärung
Schleim, eine viskoelastische gelartige Substanz, ist für viele biologische Funktionen unerlässlich . Schleim bedeckt die Oberflächen von Zellen und Geweben. Es ist durchlässig für Sauerstoff und Nährstoffe und schützt vor Krankheitserregern wie Bakterien, Pilzen und Viren. Das Verständnis der bakteriellen Motilität in schleimähnlichen Flüssigkeiten liefert Einblicke in durch Bakterien verursachte Infektionen, einschließlich Magen- und sexuell übertragbare Krankheiten. Diese Arbeit zeigt, dass die Viskoelastizität des Schleims die Bakterienorganisation verbessert und zum Auftreten sich kohärent bewegender Bakteriengruppen führt. Die Ergebnisse geben Aufschluss darüber, wie die Viskoelastizität die räumlich-zeitliche Organisation von Bakteriengemeinschaften steuert, und liefern Erkenntnisse darüber, wie die bakterielle Invasion von Schleimhautoberflächen kontrolliert und verhindert werden kann.
Kommentare
Neue Studie zeigt, dass dickerer Schleim die Fähigkeit von Bakterien steigert, sich selbst zu Schwärmen zu organisieren, um Infektionen zu verbreiten
Schnupfen, Niesen und laufende Nasen sind Kennzeichen der Erkältungs- und Grippesaison, und dieser erhöhte Schleim ist genau das, was Bakterien nutzen, um einen koordinierten Angriff auf das Immunsystem zu starten, so eine neue Studie von Forschern der Penn State University. Das Team stellte fest, dass Bakterien sich umso besser vermehren können, je dicker der Schleim ist. Die Ergebnisse könnten Auswirkungen auf Behandlungen haben, die die Ausbreitungsfähigkeit der Bakterien verringern.
Die in der Fachzeitschrift PNAS Nexus veröffentlichte Studie zeigt, wie Bakterien Schleim nutzen, um ihre Fähigkeit zur Selbstorganisation zu verbessern und möglicherweise Infektionen zu verursachen. Die Experimente, die mit synthetischem Schleim aus Schweinemagen, natürlichem Kuhzervixschleim und einer wasserlöslichen Polymerverbindung namens Polyvidon durchgeführt wurden , zeigten, dass Bakterien ihre Bewegung in dickem Schleim besser koordinieren als in wässrigen Substanzen.
Die Ergebnisse liefern Informationen darüber, wie Bakterien Schleim und Schleimhautoberflächen besiedeln, sagten die Forscher. Die Ergebnisse zeigen auch, wie Schleim die kollektive Bewegung oder das Schwärmen von Bakterien fördert, was die Antibiotikaresistenz von Bakterienkolonien erhöhen kann.
„Unseres Wissens ist unsere Studie der erste Nachweis, dass Bakterien kollektiv im Schleim schwimmen“, sagte Igor Aronson, Huck Chair Professor für Biomedizintechnik, Chemie und Mathematik an der Penn State und korrespondierender Autor des Artikels. „Wir haben gezeigt, dass Schleim im Gegensatz zu Flüssigkeiten ähnlicher Konsistenz das kollektive Verhalten verbessert.“
Schleim ist für viele biologische Funktionen unerlässlich, erklärte Aronson. Es bedeckt die Oberflächen von Zellen und Geweben und schützt vor Krankheitserregern wie Bakterien, Pilzen und Viren. Es ist aber auch der Wirtsstoff für bakterielle Infektionen, einschließlich Magen- und Geschlechtskrankheiten. Laut Aronson könnte ein besseres Verständnis darüber, wie Bakterien im Schleim schwärmen, den Weg für neue Strategien zur Bekämpfung von Infektionen und dem wachsenden Problem der Antibiotikaresistenz ebnen.
„Unsere Ergebnisse zeigen, wie sich die Schleimkonsistenz auf die zufällige Bewegung einzelner Bakterien auswirkt und ihren Übergang zur koordinierten kollektiven Bewegung großer Bakteriengruppen beeinflusst“, sagte Aronson. „Es gibt Studien, die zeigen, dass die kollektive Bewegung oder das Schwärmen von Bakterien die Fähigkeit von Bakterienkolonien verbessert, sich gegen die Wirkung von Antibiotika zu verteidigen. Das Auftreten des in unserer Arbeit untersuchten kollektiven Verhaltens steht in direktem Zusammenhang mit dem Schwärmen.“
Schleim sei eine bekanntermaßen schwierig zu untersuchende Substanz, da er sowohl flüssige als auch feste Eigenschaften aufweist, erklärte Aronson. Flüssigkeiten werden im Allgemeinen durch ihre Viskosität beschrieben, also wie dick oder dünn die Flüssigkeit ist, und Feststoffe werden durch ihre Elastizität beschrieben, also wie viel Kraft erforderlich sein kann, bevor sie zerbricht. Schleim, eine viskoelastische Flüssigkeit, verhält sich sowohl wie eine Flüssigkeit als auch wie ein Feststoff.
Um besser zu verstehen, wie Schleim infiziert wird, nutzte das Team mikroskopische Bildgebungstechniken, um die kollektive Bewegung der konzentrierten Bakterien Bacillus subtilis im synthetischen Schleim aus dem Schweinemagen und im natürlichen Zervixschleim der Kuh zu beobachten. Sie verglichen diese Ergebnisse mit Beobachtungen von Bacillus subtilis, der sich in einem wasserlöslichen Polyvidon-Polymer über einen weiten Konzentrationsbereich von hohen bis zu niedrigen Polyvidon-Konzentrationen bewegte. Die Forscher verglichen ihre experimentellen Ergebnisse auch mit einem Rechenmodell für die kollektive Bewegung von Bakterien in viskoelastischen Flüssigkeiten wie Schleim.
Das Team fand heraus, dass die Konsistenz des Schleims das kollektive Verhalten von Bakterien tiefgreifend beeinflusst. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Bakterien eine kollektive Bewegung zeigten und einen koordinierten Schwarm bildeten, umso wahrscheinlicher war, je dicker der Schleim war.
„Wir konnten zeigen, wie die Viskoelastizität des Schleims die bakterielle Organisation fördert, was wiederum zur Bildung von Bakteriengruppen führt, die sich kohärent bewegen und Infektionen verursachen“, sagte Aronson. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Elastizität und Viskosität des Schleims ein wichtiger Faktor für die Organisation von Bakteriengemeinschaften sind, was Aufschluss darüber geben kann, wie wir das Eindringen von Bakterien in den Schleim kontrollieren und verhindern können.“
Aronson erklärte, dass das Team davon ausgeht, dass menschlicher Schleim ähnliche physikalische Eigenschaften aufweist, was bedeutet, dass ihre Ergebnisse auch für die menschliche Gesundheit relevant sind.
„Der Beginn der kollektiven Bewegung von Bakterien und ihre Interaktion mit Schleim sollte der gleiche sein wie bei Kuh-, Schweine- oder Menschenschleim, da diese Substanzen ähnliche mechanische Eigenschaften haben“, sagte Aronson. „Unsere Ergebnisse haben Auswirkungen auf die Gesundheit von Mensch und Tier. Wir zeigen, dass die Viskoelastizität des Schleims die kollektive Bewegung von Bakterien in großem Maßstab verstärken kann, was die Geschwindigkeit beschleunigen kann, mit der Bakterien die schützende Schleimbarriere durchdringen und das innere Gewebe infizieren können.“
