Бактерии научились проникать сквозь медицинские фильтры

Научный принцип "если голова пролезет..." в микромире работает иначе: чтобы протиснуться в щель, в два раза меньшую собственного диаметра, некоторые бактерии делятся, постепенно проталкивая вперед свое мелкое потомство.

Способность к передвижению в той или иной форме присуща всем живым существам. Это может быть пассивная миграция с ветром, водой или животными, активный полет, заплыв или забег, а может быть и постепенное увеличение размеров колонии-организма, как это происходит с губками. Микромир в данном случае не исключение.

Бактерии для активного передвижения используют жгутики. Пассивные нити могут располагаться как на полюсах, так и по всей окружности клетки. И те и другие приводятся в движение мембранными моторами, способными вращаться со скоростью до 100 оборотов в секунду. Если жгутиков несколько, то они могут собраться в своеобразный пучок, например как у кишечной палочки Escherichia coli. Вращаясь против часовой стрелки, жгутики заставляют клетку вращаться в противоположную сторону (по часовой) и постепенно двигаться вперед. При полярном расположении жгутиков один из них выступает в роли толкающего, а другой - тянущего.

Впрочем, и тот и другой механизм не совершенен. Во-первых, бактерии могут двигаться только вдоль одной оси (переориентация происходит из-за случайных течений), а чтобы развернуться на 180°, кишечной палочке приходится полностью остановиться и "надеяться", что пучок сначала развалится, а потом вновь соберется, но уже с другой стороны. Во-вторых, среда (чаще всего вода) накладывает определенные ограничения. Самое главное из них - соотношение длины и ширины. Оптимальная величина 3,7 характерна для большинства бактерий-палочек, и по этой же причине шаровидные кокки так и не обзавелись жгутиками.

Сеес Деккер из Дельфтского технологического университета и его коллеги занялись поисками новых ограничений, выбрав в качестве подопытных упомянутую E. coli и сенную палочку Bacillus subtilis. Диаметр и той и другой - чуть меньше 1 микрометра (0,76 и 0,86 мкм соответственно), а "крейсерская" скорость - около 20 мкм/с.

Как показали авторы публикации в Proceedings of the National Academy of Sciences, темпы передвижения сохраняются, даже если поместить подопечных в канал диаметром 2 мкм. А вот при сужении канала скорость падает: из-за того, что жгутики бактерии располагаются по окружности, клетке требуется большее пространство, чем ее собственный меньший диаметр. Сеес продемонстрировал, что движение продолжается до тех пор, пока диаметр канала больше диаметра узкого сечения самой клетки на 30% (около 1,1 мкм).

В 0,8-микрометровой трубке кишечная палочка хотя и не застревала, но полностью останавливалась, после чего ей оставалось полагаться только на ток жидкости. Впрочем, в конечном итоге бактерия все же протиснулась и сквозь него.

В контрольном эксперименте диаметр канала ученые сделали меньшим, чем диаметр бактерии. Не ожидая ничего сверхъестественного, они провели ту же процедуру, что и в остальных опытах, и... увидели, что E. coli прекрасно заселила стерильное пространство с другой стороны сверхузкого канала. Повтор эксперимента подтвердил, что это не артефакт: они действительно пролезают.

Анализ результатов показал, что такое движение обеспечивается делением клеток: точно так же закрываются края раны неспособными к миграции эпителиальными клетками, а корни растений протискиваются между камнями и частицами грунта. Скорость "движения" оставалась неизменной вплоть до двукратного уменьшения диаметра канала (0,4 мкм). Конечно, говорят авторы, в данном случае нельзя говорить, что двигалась та же самая клетка. Скорее клеточный "фронт". Однако так как бактерии размножаются бесполым путем, геном "дочек" ничем не отличается от материнского. Следовательно, на другом конце трубки оказывается в какой-то мере та же самая клетка.

Чтобы рассчитать скорость движения, достаточно знать лишь среднее время удвоения (частота, с которой происходит деление): по данным Сееса, расстояние зависит от времени как "2 в степени t/Tудв", где t - время от начала эксперимента, а Tудв - упомянутое время удвоения. Через четыре часа бактерии будут уже в 8 мкм, а через десять - в 80 мкм от начала тонкой трубки.

Возможно, это умение связано с особенностями клеточной стенки и клеточного скелета, поддерживающего ее форму, что присуще вовсе не всем бактериям. Так, если E. coli легко протискивалась через мелкие щели, то сенная палочка оказалась на это не способна.

Кстати, такая "гибкость" оказалась чревата тем, что бактерии, выползающие с другой стороны, чаще всего имели аномальную форму - "крючочки" вместо палочек.

Стандартная фильтрация бесполезна

Сами авторы претендуют не только на фундаментальное значение своего открытия. Дело в том, что один из самых распространенных способов стерилизации жидкостей в медицине и биологии - фильтрация. Диаметр пор в стандартном мембранном фильтре - около 0,2 мкм.

Наблюдения Сееса по-новому объясняют уже нередкие случаи, когда бактерии оказывались по ту сторону мембраны. То же самое можно сказать и о небольших отверстиях в материалах, из которых изготовлены медицинские имплантаты. Хотя ученые не стали давать новых рекомендаций по стерилизации, теоретическое обоснование этому уже есть.

С другой стороны, тот же самый феномен может означать, что наша планета может быть заселена несколько глубже, чем считалось ранее: основное ограничение до сегодняшнего дня налагали на отсутствие света и воздуха на глубине, а именно плотность горных пород, не позволяющую микробам продвигаться к центру Земли.