Ученые обнаружили ранее неизвестный механизм передвижения бактерий по поверхностям, который не требует наличия жгутиков. На краю колонии бактерии перерабатывают сахара, выделяют метаболиты и создают осмотическое давление. Это давление вызывает микроскопическую «волну», на которой бактерии перемещаются вперед.

Известные способы передвижения бактерий

В жидкой среде бактерии обычно двигаются, вращая жгутики. Однако они способны перемещаться и по твердым поверхностям. Например, с помощью пилей — выростов на мембране, которые цепляются за субстрат и подтягивают бактерию, или с помощью белков, позволяющих бактерии катиться по поверхности, словно на гусеницах. Несмотря на это, механизмы передвижения по твердым поверхностям до конца не изучены.

Новый механизм: движение без жгутиков

В исследовании, опубликованном в Journal of Bacteriology, ученые изучали явление роения — медленного расползания бактериальных колоний по поверхности питательной среды. До сих пор было неясно, как именно происходит это движение: возможно, за счет вращения жгутиков или других механизмов.

Чтобы выяснить это, исследователи отключили у сальмонеллы и кишечной палочки гены, отвечающие за формирование жгутиков, и поместили бактерии на сухие агаровые пластины. Ожидалось, что без жгутиков бактерии не смогут расползаться, однако они продолжили движение.

Поиск объяснения феномена

Ученые предположили, что бактерии выделяют поверхностно-активные вещества, которые смазывают среду и позволяют скользить. Для проверки этой гипотезы в чашки Петри добавили ПАВ Tween-80, ожидая усиления движения. Однако бактерии почти полностью прекратили расползаться, что указывало на то, что ПАВ не только не помогает, но и мешает процессу.

Дальнейшие наблюдения показали, что движение происходило только при наличии сахара, например, глюкозы. Это навело на мысль, что дело не в механическом движении, а в побочных продуктах переработки сахаров.

Роль ферментации и осмотического давления

Эксперименты показали, что движение наблюдается только на тех сахарах, которые бактерии способны сбраживать. В питательную среду добавили pH-индикатор, который меняет цвет в кислой среде. Колония, расползаясь, оставляла за собой ярко-желтый кислотный след — прямое доказательство ферментации. Анализ выявил наличие ацетата и формиата — продуктов переработки сахаров.

Когда ученые с помощью генной инженерии отключили у бактерий ключевой ген, необходимый для ферментации, движение полностью прекратилось.

Как работает новый механизм

Продукты брожения — соли — накапливаются на краю колонии, создают высокое осмотическое давление и вытягивают воду из желеобразной питательной среды. Этот приток воды формирует на переднем крае колонии микроскопическую волну, которая и толкает бактерии вперед.

С помощью оптической профилометрии исследователи увидели четко различимый водяной вал высотой около 60 микрометров — тоньше человеческого волоса.

«Свошинг»: бактерии плывут на собственной волне

Бактерии, поедая сахара, выделяют соленые метаболиты, которые вытягивают воду из среды. Эта вода образует по краю колонии волну, и на ней бактерии растекаются все дальше. Таким образом, бактерии буквально плывут на волне, которую создают сами. Ученые назвали это явление «свошинг» — по аналогии с разбивающейся о берег волной.

Значение открытия

Передвижение бактерий по поверхностям — ключевой этап в образовании биопленок на катетерах, имплантах и в ранах. Традиционные методы борьбы с распространением колоний часто направлены на блокировку жгутиков. Новое исследование показывает, что даже при отключении жгутиков у бактерий остается запасной, чисто физический способ колонизировать поверхности. Это важно учитывать при разработке новых методов борьбы с инфекциями.