在显微镜下同步游泳

时间:2019-12-21 16:35 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

在显微镜下同步游泳

步行者常常欣赏空中鸟群精确协调而又迷人流畅的运动,仿佛有一只看不见的手在引导。不仅鸟类、鱼类和人类群体表现出这种行为,移动的细菌也会形成间歇的喷射和细胞群的漩涡。位于马尔堡的马克斯·普朗克陆地微生物研究所的研究人员现在已经能够展示群体行为如何影响环境中的导航。信贷:Flickr.com/Photo:亚当

不仅鸟类、鱼类甚至是人群都表现出集体的运动模式,当移动的细菌的细胞密度超过一定的尺寸时,也会形成电流和漩涡。位于马尔堡的马克斯·普朗克陆地微生物研究所的研究人员现在已经能够展示群体行为如何影响环境中的导航。

单个细菌

细胞

在相对笔直的第二长跑中游泳,被短暂的转向(翻滚)打断,以探索他们的环境。游泳时,细菌用最小的嗅觉来测量化学环境的变化(例如,养分浓度)和偏见他们游泳,延长跑向有利条件,缩短不利的方向,为了激起他们否则随机运动走向更好的生活条件。控制这种所谓趋化行为的蛋白质网络是研究得最好的生物信号系统之一。这个网络的一个显著特征是,它使用一个化学编码的内存来比较当前条件和几秒钟前的条件,并根据这个比较来决定延长或缩短运行时间。

尽管趋化作用是在单细胞水平上实现的,但它也会驱动集体的自聚集行为,其中趋化作用对自产生的引诱物质梯度的响应导致局部细胞的增加

密度

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在显微镜下同步游泳

细菌悬浮液中的集体运动。在正确的:典型的快照的速度场测量高密度细胞悬液(Φc = 0.08,细胞长度L = 2μm通道高度h = 50μm)。趋化性分析是使用微流控装置进行的,其中两个具有不同化学成分的储层通过一个通道连接,其中化学吸引剂梯度形成。资料来源:马克斯·普朗克陆地微生物研究所/科林

在高密度的种群中,集体运动占据了主导地位

如果整体细胞密度达到一定程度,就会观察到根本不同的动态,因为细菌细胞的喷流和漩涡再次出现和溶解。“尽管集体运动频繁发生,但对于物理相互作用如何影响细菌的趋化导航,人们知之甚少。”这是我们承诺要回答的问题。

这种知识的缺乏部分是由于技术上的困难,测量细胞的动力学在一个密集的悬浮液。“幸运的是,在过去几年里,新的图像分析方法已经被开发出来,或者适应了细菌系统,”系统与合成生物学系主任维克托?索尔基克(Victor Sourjik)表示。“这让我们有机会利用强度波动或强度模式的变化来描述细菌种群的游动和趋化。”

为了测量大肠杆菌细胞群在不同密度下的集体动态和趋化反应,马克斯·普朗克研究人员利用微流体和这些新的图像分析方法,分析了在化学引诱剂的控制梯度下游动的细菌。

在显微镜下同步游泳

集体效应影响环境中的趋化导航。在隔离状态下,细菌完全有能力在物理化学梯度中测量和定向,以找到更好的生存条件,在高细胞密度下的集体重定向阻止了这一重要的细胞功能的实现。资料来源:马克斯·普朗克陆地微生物研究所/科林

集体取向损害趋化性

实验结果表明,在中间密度达到最大值后,随着集体运动的发展,趋化性大大降低。集体取向似乎干扰了化学感应机制。当细胞在游动时,它会在几秒钟内监测趋化剂浓度的变化,以决定是否翻转。如果在此期间,细胞游动的方向发生了显著变化,那么这个决定就变得不那么重要了,从而使得生物化学固有的细菌趋化策略效率低下,”Remy Colin解释说。“当将实验观察到的集体运动与数值模拟进行比较时,我们意识到细菌之间的直接接触相互作用只是次要的。实际上,在集体运动的产生中,流体动力的相互作用起着主要的作用。这个问题在对集体行为感兴趣的物理学家中一直存在争议。”

密度效应对野外细菌种群有广泛的影响

通过运动细胞间的物理相互作用来调节趋化行为对细菌高密度行为有几个重要的影响。首先,它提供了调控附近细菌趋化积累的物理机制

食物来源

,因为逐渐增加细胞密度最初会促进并限制这些过程。

该上限的细胞数量,可以达到一个给定的食物来源或细胞补丁应该发挥重要作用的资源分配细菌种群,以及他们的自组织。第二,趋化性的基本破坏是在典型的群集性的细胞密度上观察到的,群集性是许多细菌用来在表面(例如在感染期间)快速传播的一种密集游动动力。这令人惊讶地表明,如果没有尚待发现的具体的对抗机制,群内趋化导航几乎是不可能的。

细菌悬浮液中的集体运动。一个,典型的快照的速度场测量高密度细胞悬液(Φc = 0.08,细胞长度L = 2μm通道高度h = 50μm)。趋化性分析是使用微流控装置进行的,其中两个具有不同化学成分的储层通过一个通道连接,其中化学吸引剂梯度形成。

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通信的性质

-019 - -13179 . DOI: 10103 / s41467 1

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