許多細(xì)胞都可以感知流動，就像我們的皮膚細(xì)胞可以感受到微風(fēng)和強風(fēng)之間的差異一樣。但我們依靠感受所涉及的力量，從空中對我們的推回。沒有這種推動，我們無法區(qū)分速度;當(dāng)窗戶關(guān)閉時，無論我們坐在辦公室，超速駕駛汽車還是巡航飛機上，我們的皮膚都無法感受到空氣的任何差異。但現(xiàn)在，普林斯頓大學(xué)的一個研究小組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，無論力量如何，一些細(xì)菌實際上都可以檢測到流速。他們的論文發(fā)表在在線期刊“自然微生物學(xué)”上。

普林斯頓的埃德溫格蘭特康克林生物學(xué)教授，該論文的資深作者Zemer Gitai說：“我們已經(jīng)將細(xì)菌設(shè)計為速度計。”“這里有一個應(yīng)用：我們實際上可以將這些細(xì)菌用作流量傳感器。如果您想實時了解某些內(nèi)容的速度，我們可以告訴您。“

由Zemer Gitai領(lǐng)導(dǎo)的普林斯頓大學(xué)生物學(xué)家和工程師團(tuán)隊通過將銅綠假單胞菌中的流動檢測基因連接到一個用于照明的實時細(xì)菌速度計進(jìn)行生物工程化：流動越快，發(fā)光越亮。流量檢測與力無關(guān)，引發(fā)了有關(guān)細(xì)菌如何感知環(huán)境的新問題。

通訊辦公室Matilda Luk的插圖

含有內(nèi)置速度計銅綠假單胞菌的細(xì)菌是一種普遍存在的病原體，存在于體內(nèi)，體內(nèi)，水流，土壤和整個醫(yī)院中。疾病控制和預(yù)防中心將假單胞菌分類為“嚴(yán)重威脅”，每年造成超過50,000例醫(yī)療相關(guān)感染，其中6,700種抗生素耐藥，440種致命。

“在一些醫(yī)院，外科醫(yī)生使用化學(xué)消毒劑 - 基本上是Purell，而不是擦洗，因為假單胞菌喜歡在管道中生長，”Gitai說。事實上，假單胞菌幾乎總是被流動的液體包圍，無論是在流中還是在涉及流動的任何人體系統(tǒng)中 - 血流，泌尿道，胃腸道，甚至是肺 - 或者在管道系統(tǒng)或醫(yī)療中像導(dǎo)管這樣的設(shè)備，是手術(shù)后感染的主要載體之一。

“這是個老消息，”吉泰說。“我們發(fā)現(xiàn)，假單胞菌不僅會遇到流動，而且它們實際上可以感知并響應(yīng)這種流動。這是一個大問題。如果他們處于流動狀態(tài)，他們可以改變他們的“行為”，如果你愿意的話，可以根據(jù)他們感覺自己是在流動。“

Gitai實驗室的博士后研究員Joseph Sanfilippo和2017年畢業(yè)生校友Alexander Lorestani是該論文的主要作者。他們一起確定細(xì)菌可以檢測甚至測量附近流體的流速，從而打開一組基因。他們將這些基因稱為“流動調(diào)節(jié)的操縱子”。

“Fro的回應(yīng)不僅僅是一個開關(guān);它實際上已經(jīng)調(diào)整到速度，“桑菲利波說。“它更像是一個調(diào)光開關(guān)而不是一個燈開關(guān)。”

然后，他們生物工程化了一個與導(dǎo)致假單胞菌發(fā)光的基因之間的聯(lián)系，從而可以在顯微鏡下看到來回的遺傳反應(yīng)，從而創(chuàng)建一個實時視覺速度計：流動越快，發(fā)光越亮。

使用該工具，Sanfilippo能夠確定假單胞菌響應(yīng)的速度范圍，結(jié)果令人驚訝：“它們與血液和泌尿道中已知的液體速度范圍完全吻合”。吉泰說。

考慮到細(xì)菌的微觀規(guī)模和他們測試的頭發(fā)大小的流動室(50微米高，500微米寬)，研究人員沒有測量傳統(tǒng)英里每小時(或每秒米)的速度相反，測量“剪切速率”，相鄰的流體層彼此通過的速率。這是以無距離“每秒”單位來衡量的。

他們發(fā)現(xiàn)，剪切速率不會低于每秒8次 - 比人體中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)流體慢 - 但它確實將其對剪切速率的響應(yīng)調(diào)整為每秒40到400之間，然后穩(wěn)定在此之上。作為參考，人體靜脈中的剪切速率約為每秒100次。

“回應(yīng)的速度是你現(xiàn)在身體的速度，”桑菲利波說。

“作者將他們在生物工程和生物物理學(xué)方面的專業(yè)知識(制造這些漂亮的流動室)與先進(jìn)的生物學(xué)(RNA測序)相結(jié)合，以了解微生物學(xué)中的一些基本問題，”傳染病主任，微生物學(xué)教授Joanne Engel說。加州大學(xué)舊金山分校的免疫學(xué)，他沒有參與這項研究。

“將研究人員從不同領(lǐng)域聚集在一起的能力有助于以新的和創(chuàng)造性的方式推動研究，”她說。“由于這種傳感機制很可能在整個生物學(xué)中被發(fā)現(xiàn)，它可能有廣泛的應(yīng)用，甚至可能用于開發(fā)治療細(xì)菌感染的新藥(抗生素)，尤其是血液感染(如敗血癥)。”

一種與力量無關(guān)的反應(yīng)

Sanfilippo和他的同事們最初認(rèn)為，假單胞菌對流動的敏感性必須取決于它感知力的能力，正如我們都直觀地理解當(dāng)我們以更高的速度行駛時，一輛車窗口會發(fā)出更大的力量。Gitai說，流量和力量之間的直觀聯(lián)系導(dǎo)致了該領(lǐng)域的普遍盲點。

“其他研究人員發(fā)現(xiàn)，不同的細(xì)菌可以對流體流動作出反應(yīng)，并且他們有效地認(rèn)為它是力量，”Gitai說。“直覺是如此強烈，以至于它應(yīng)該是武力，事實上人們并沒有費心去明確地測試它。”

測試這一假設(shè)的方法來自Howard Stone，Donald R. Dixon '69和Elizabeth W. Dixon機械和航空航天工程教授以及該論文的共同作者。Stone提出了一個實驗，可以顯示細(xì)菌是否對力有反應(yīng)：將其提交給以相同速度流動的不同粘度或厚度的材料。

如果你將水倒在手上，然后以相同的速度將蜂蜜倒在上面，粘稠的蜂蜜會更加緊貼皮膚，這樣你的手就會感覺更有力量。Sanfilippo使用比默認(rèn)介質(zhì)粘度高10倍的流體進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)只對剪切速率 - 速度 - 而不是較厚流體的力作出反應(yīng)。

“做另外一個實驗 - 我們稱之為霍華德的實驗 - 真的很關(guān)鍵，”桑菲利波說。這使研究人員能夠最終確定假單胞菌正在純粹根據(jù)流動材料的速度調(diào)整其響應(yīng)，這是以前從未記錄過的。為了將其與細(xì)菌中記錄的其他類型的機械傳感區(qū)分開來，該團(tuán)隊創(chuàng)造了“流變傳感”或流動傳感這一術(shù)語來描述這種現(xiàn)象。

“我們在這里開設(shè)了一個小型油田，”Gitai說。“考慮細(xì)菌如何在流動中生存是一個完全未被探索的領(lǐng)域。我們希望人們能夠與其他細(xì)菌一起看待這個問題。正如我們所說，哺乳動物研究中有一個巨大的假設(shè)，即一切都依賴于力 - 我們希望人們閱讀我們的論文，然后回過頭來重新審視其中的一些假設(shè)并改變他們系統(tǒng)中的粘度。

Gitai說，目前尚不清楚假單胞菌如何從了解其周圍液體的速度中獲益，但它可能與病原體的多功能性有關(guān);他稱之為瑞士軍刀細(xì)菌。

“偽單胞菌有很多不同的方式可以攻擊，”吉泰說。“一個想法是，它想知道何時適合在其武器庫中使用哪種工具。如果你有燒傷，它只是坐在你的皮膚上，也許它可以用來傷害你的基因不同于它會在你的泌尿道或血液中傷害你的基因。這就是一個重要的想法，即 - 將其擬人化 - 它可以知道是否存在流動，這可能有助于調(diào)整其對環(huán)境的響應(yīng)。“