Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà sinh lý học đã có một cái nhìn có hệ thống về cách các màng sinh học vi khuẩn bị ảnh hưởng bởi dòng chảy chất lỏng. Những phát hiện có thể cho chúng ta manh mối về các quy tắc vật lý hướng dẫn kiến trúc màng sinh học, mà còn về các động lực xã hội hình thành nên sự tiến hóa.
Mặc dù chúng ta có xu hướng nghĩ về chúng như những “người” sống đơn độc trên thế giới, nhưng vi khuẩn thực sự là những sinh vật xã hội. Trên thực tế, phần lớn vi khuẩn sống trên bề mặt bằng cách hình thành “màng sinh học”: các cộng đồng ba chiều lưu trữ hàng ngàn đến hàng triệu vi khuẩn hoạt động nhộn nhịp như vậy mà các nhà khoa học mô tả chúng là “thành phố vi khuẩn”.
Vi khuẩn hình thành màng sinh học bằng cách bám vào nhau trên nhiều bề mặt: đáy đại dương, hồ hoặc sông, thiết bị y tế và thậm chí các cơ quan nội tạng, như ruột, phổi và răng – sau này là mảng bám răng quen thuộc, nguồn thu nhập lớn cho các nha sĩ.
Nói tóm lại, màng sinh học là lối sống ưa thích của vi khuẩn. Chúng phát triển rộng và dày, tạo thành một động lực xã hội mới giữa các vi sinh vật thành viên của chúng, đồng thời bảo vệ chúng: màng sinh học nổi tiếng là không thể tiếp cận với kháng sinh, đó là lý do tại sao chúng đã thu hút rất nhiều nghiên cứu y học.
Nhưng nhìn vào màng sinh học cũng có thể cho chúng ta manh mối về động lực xã hội rộng lớn hơn đã định hình sự tiến hóa của các loài trên toàn hành tinh, như hợp tác, cạnh tranh, v.v. Và đó là những câu hỏi thúc đẩy công việc của Alexandre Persat, giám đốc Phòng thí nghiệm Cơ học Vi sinh của EPFL .
Khoảng chín mươi phần trăm cuộc sống của vi khuẩn trên bề mặt Trái đất được tìm thấy dưới dạng màng sinh học. Bởi vì các cấu trúc này rất dày đặc, chúng mang nhiều loài đến gần nhau, khiến chúng tương tác xã hội và do đó thúc đẩy sự tiến hóa của chúng. Kết quả của các tương tác xã hội như cạnh tranh hoặc hợp tác do đó phụ thuộc vào sự sắp xếp không gian của các tế bào này. kiến trúc và tổ chức các tế bào trong màng sinh học, ví dụ để trộn hoặc tách riêng vẫn chưa rõ ràng.
Trong một nghiên cứu mới, Tamara Rossy, một nghiên cứu sinh trong nhóm của Persat, mở rộng quan điểm của chúng ta về màng sinh học để xem các dấu hiệu vật lý ảnh hưởng đến sự phát triển của chúng – cụ thể hơn, cách chúng bị ảnh hưởng bởi dòng chảy của chất lỏng xung quanh. Cho dù ở đại dương, nhiễm trùng phổi, microbiota ruột – vật lý của chất lỏng có mặt khắp nơi trong màng sinh học. Các nhà khoa học muốn nghiên cứu làm thế nào dòng chảy thay đổi tổ chức không gian của họ.
Để làm điều này, trước tiên Rossy phải tạo ra một màng sinh học mô hình có thể được nghiên cứu trong các điều kiện dòng chảy có thể kiểm soát được. Cô đã chọn hai dòng vô tính khác nhau của vi khuẩn Caulobacter crescentus , thường thấy ở các hồ và suối nước ngọt, và trải qua giai đoạn tế bào “rình rập” cho phép nó neo đậu trên bề mặt, xâm chiếm chúng và hình thành màng sinh học. Rossy đã phát triển vi khuẩn trong các con chip vi lỏng trong đó cô có thể kiểm soát cẩn thận lượng chất lỏng chảy qua các kênh chỉ rộng nửa milimet.
Rossy đã bắt chước sự hình thành của màng sinh học ở cấp độ vi khuẩn đơn lẻ để theo dõi tác động của từng tốc độ dòng chảy lên các khuẩn lạc vi khuẩn. Kết quả cho thấy sự khác biệt lớn về kiến trúc giữa các dòng chảy khác nhau: trong dòng chảy yếu, màng sinh học rất dày đặc. Trong dòng chảy mạnh hơn, vi khuẩn phát triển trong các màng sinh học thưa thớt, giống như cụm.
Để hiểu được quá trình này, Rossy đã xây dựng một mô hình vật lý gợi nhớ đến việc vận chuyển các phân tử trong các hệ thống chất lỏng. Sử dụng nó, cô phát hiện ra rằng dòng chảy mạnh hơn có thể làm giảm đáng kể khả năng vi khuẩn bơi về phía bề mặt và xâm chiếm nó, dẫn đến các khuẩn lạc thưa thớt.
Nhưng một số kết quả cũng phản trực giác. Tốc độ dòng chảy cao làm giảm khả năng vi khuẩn bơi lội xâm chiếm các thuộc địa hiện có. Để phát triển trong dòng chảy cao như vậy, các tế bào đơn lẻ dựa vào sự gắn kết ngay lập tức của các tế bào con gần với tế bào mẹ của chúng.
Dòng chảy mạnh hơn cũng tách biệt hai quần thể với những tác động tiềm tàng đáng kể đến động lực xã hội tổng thể giữa các vi khuẩn sống trong màng sinh học. Dòng chảy thấp và cao thực sự quan trọng đối với sự sắp xếp và cấu trúc của màng sinh học. Điều này cho thấy dòng chảy và, nói chung, môi trường vật lý của màng sinh học có thể ảnh hưởng đến lịch sử tiến hóa của một loài vi khuẩn; điều này đúng ít nhất là giữa các dòng vi khuẩn khác nhau như chúng ta đã sử dụng, nhưng rất có khả năng áp dụng trên các vi khuẩn khác nhau loài.
Màng sinh học là một khía cạnh thực sự hấp dẫn và quan trọng của đời sống vi sinh vật. Bây giờ các nhà khoa học chỉ đánh giá cao cách các nguyên tắc vật lý hướng dẫn kiến trúc của họ và cách thức này quay trở lại sinh lý và tiến hóa của vi khuẩn. Nhưng chúng tôi chỉ ở đây làm trầy xước bề mặt – vẫn còn rất nhiều điều phải tìm hiểu.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne . Bản gốc được viết bởi Nik Papageorgiou. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :