细菌的流动性如何像人类的运动一样

细菌会像我们一样控制它们的“行走”吗?这可能听起来很奇怪，但这是一个基本问题。了解细菌的运动性不仅可以扩展我们对其行为的理解，还可以有助于对抗某些侵略性病原体。然而，这个问题没有得到解答，因为微生物学家缺乏直接观察细菌丝的工具。

现在，LorenzoTalà，博士。EPFL生物工程和全球健康研究所的Alexandre Persat实验室的学生开发了一种显微镜方法，可以直接观察许多细菌用来爬行的结构。“细菌表面装饰有蛋白质细丝，参与运动，粘附，信号传导和致病性，最终决定细菌如何与环境相互作用，”塔拉说。“然而，它们非常小，以至于在活细胞中观察它们是非常复杂的。所以我们对它们的动态活动知之甚少。”

对于称为IV型菌毛的结构尤其如此：纳米宽的细丝从许多细菌的表面延伸和缩回，帮助它们以称为“抽搐运动”的方式行走。这个术语可能听起来不是很严重，但它会机械地激活某些病原体的毒力 - 这意味着它是打击它们的主要目标。

科学家研究了细菌铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)，这是一种常见于土壤中的机会致病菌。它是导致医院获得性感染和囊性纤维化，创伤性烧伤和免疫功能低下患者严重感染的主要原因，现在在世界卫生组织的抗生素耐药观察名单中排名第一。

但单个细菌是否能协调IV型菌毛运动来驱动它们的活力?“在我们对铜绿假单胞菌的IV型菌毛和机械激活毒力的研究中，一个技术悖论一直是令人沮丧的根源：菌毛，菌毛，鞭毛和注射系统永久地延伸到单细胞外，所以为什么我们不能直接想象他们?“

为了克服这个问题，科学家们探索了他们的合作者Philipp Kukura在牛津大学开创的一种新兴的显微镜方法。使用称为干涉散射显微镜(iSCAT)的技术，他们能够在活细胞中看到这些纳米宽的细丝，没有任何化学标签，高速和三维。

“iSCAT代表了微生物学领域的一项重大技术进步，”Persat说。“我们最近描述了可视化技术，并在不同学科的科学家中获得了广泛的积极反馈，因为我们最终能够直接从培养物中动态观察活细菌中的菌毛。”

为了理解IV型皮利运动的协调性，科学家们专注于使用iSCAT精确计时表面连接，回缩和细胞体位移的连续性。该方法揭示了三个关键事件，这些事件导致跨越表面的成功和能量有效的运动。

首先，菌毛尖端与表面的接触激活了引发回缩的分子马达。其次，这种收缩增强了菌毛与表面的附着，增加了细菌的位移。最后，第二个更强的分子马达强化细菌在高摩擦下的位移。

这个序列表明，菌毛充当传感器，并揭示了细菌与表面相互作用的新机制。它还揭示了细菌利用感觉机制来协调其运动机器的动态运动，这与包括人类在内的高等生物移动四肢以产生位移的方式形成了惊人的类比。

“人体中枢神经系统处理机械感觉信号以顺序接合运动部件，从而引发肌肉收缩并导致步态，”Talà解释道。“我们的工作表明，以同样的方式，细菌使用触觉来顺序地接合分子马达，产生延伸和缩回的循环，从而形成步行模式。”