Quanta forza producono i batteri? Ora è stato misurato

I batteri migrano utilizzando una serie di curiosi meccanismi ambulatoriali. Queste migrazioni consentono loro di seguire la preda, di formare biofilm e semplicemente di aggregarsi.

E questo solleva una domanda curiosa. Data questa capacità di movimento, quanta forza producono i batteri mentre si muovono? In altre parole, quanto possono spingere?

Oggi riceviamo una risposta grazie al lavoro di Joshua Shaevitz, Benedikt Sabass e Howard Stone alla Princeton University. Questi ragazzi hanno sviluppato un metodo per misurare le minuscole forze coinvolte e dimostrare che quando si tratta di spingere e spingere, i batteri colpiscono ben al di sopra del loro peso.

Una tipica cellula batterica è lunga solo pochi micrometri e ha una massa nella regione di 10-15 chilogrammi. Sotto la forza di gravità, una singola cellula eserciterebbe una forza di circa 10 femtonewton. Non è una forza facile da misurare.

Shaevitz e compagni ci provano usando una tecnica nota come microscopia a forza di trazione. Ciò si basa sull'osservazione che i batteri deformano qualsiasi materiale morbido intorno a loro mentre si muovono. Quindi, misurando queste deformazioni, è possibile calcolare le forze dietro di esse.

L'esperimento prevede il posizionamento dei batteri su un materiale morbido simile al gel e quindi l'uso di un microscopio per fotografarli mentre si muovono. Il materiale in questione è un sottile strato di morbido gel elastico di poliacrilammide rivestito di chitosano. Questo ha proprietà del materiale ben caratterizzate che rendono semplice calcolare quanta forza è necessaria per deformarlo.

Ma quando le deformazioni sono piccole, sono difficili da vedere. Quindi il gel contiene anche microsfere di due diversi colori che si muovono man mano che il materiale si deforma e sono più facili da vedere. Quando le cellule si muovono sulla superficie, qualsiasi cambiamento nella posizione delle microsfere può essere utilizzato per calcolare le deformazioni causate da questo movimento.

Shaevitz e compagni portano avanti i loro esperimenti Mixococcus xanthus batteri, che si muovono utilizzando due diversi meccanismi. Il primo è una sorta di movimento di scorrimento in cui la membrana cellulare a contatto con la superficie agisce come una pista di carri armati mentre la creatura si muove. Una singola cellula di scorrimento produce forze di pochi piconewton (10-12 Newton), che sono appena sufficienti per deformare il gel. Concludiamo che lo scorrimento delle singole cellule è un processo a basso attrito che difficilmente influisce meccanicamente sull'ambiente, affermano Shaevitz e co.

Tuttavia, Mixococcus xanthus avere un altro modo più potente di muoversi. Questo è un tipo di meccanismo a rampino in cui ogni cellula produce piccole protuberanze simili a capelli chiamate pili che si allungano in avanti e si attaccano alla superficie. Avvolgendo i pili, i batteri si trascinano a velocità di circa un micrometro al secondo, o circa una lunghezza corporea al secondo.

In questo caso, Shaevitz e colleghi affermano che la forza media generata da una singola cellula è di circa 50 piconewton, ovvero 10 volte superiore a quella del movimento di scorrimento.

Inoltre, i batteri generalmente si muovono in gruppi, quindi le loro forze collettive possono essere molto più elevate. Le misurazioni mostrano che gruppi di batteri esercitano una forza di oltre 100 piconewton.

Questo è un lavoro interessante che rivela almeno alcune delle capacità dei batteri come macchine locomotive.

Ci sono ancora importanti domande senza risposta, tuttavia. Ad esempio, la risoluzione di questo tipo di microscopia della forza di trazione è di circa 0,5 micrometri, il che significa che non è possibile misurare deformazioni inferiori a questa. Quindi questa tecnica manca di qualsiasi dinamica che si verifica su scala più piccola.

Ci sono anche molti altri misteri associati al movimento batterico. Ad esempio, nessuno sa perché Mixococcus xanthus può muoversi più velocemente su agar morbido che su agar rigido. Ma questo tipo di lavoro dovrebbe aiutare a rivelare le risposte.

Al di là di questo, una domanda interessante è come sfruttare il movimento batterico. Se questo movimento genera forze, perché non usarle per spingere leve, azionare interruttori, girare ruote per criceti, trasportare carichi e così via? Non è difficile immaginare una vera e propria Disneyland di attività batterica.

Naturalmente, i macchinari a questa scala funzionano in un modo completamente diverso dalla scala umana: le forze inerziali diventano insignificanti mentre altri effetti come le forze di van de Waal diventano estremamente importanti. È qualcosa che i progettisti di dispositivi microelettromeccanici sanno da tempo, forse potrebbero aiutare?

In effetti, non è al di là dell'immaginazione che le forze collettive dei batteri migratori potrebbero un giorno essere imbrigliate per svolgere un lavoro utile su scala micrometrica.

Rif: arxiv.org/abs/1701.00524 : Generazione di forza collettiva da parte di gruppi di batteri migratori

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