Πόση δύναμη παράγουν τα βακτήρια; Τώρα έχει μετρηθεί

Τα βακτήρια μεταναστεύουν χρησιμοποιώντας μια σειρά από περίεργους περιπατητικούς μηχανισμούς. Αυτές οι μεταναστεύσεις τους επιτρέπουν να ακολουθούν το θήραμα, να σχηματίζουν βιοφίλμ και απλώς να συσσωματώνονται.



Και αυτό εγείρει ένα περίεργο ερώτημα. Δεδομένης αυτής της ικανότητας κίνησης, πόση δύναμη παράγουν τα βακτήρια καθώς προχωρούν; Με άλλα λόγια, πόσο σκληρά μπορούν να πιέσουν;

που ανακάλυψε τη θεωρία της μαύρης τρύπας

Σήμερα λαμβάνουμε μια απάντηση χάρη στη δουλειά των Joshua Shaevitz, Benedikt Sabass και Howard Stone στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον. Αυτοί οι τύποι έχουν αναπτύξει μια μέθοδο για τη μέτρηση των μικροσκοπικών δυνάμεων που εμπλέκονται και δείχνουν ότι όταν πρόκειται για σπρώξιμο και σπρώξιμο, τα βακτήρια τρυπώνουν πολύ πάνω από το βάρος τους.





Ένα τυπικό βακτηριακό κύτταρο έχει μήκος μόλις λίγα μικρόμετρα και έχει μάζα της τάξης των 10-15 κιλών. Υπό τη δύναμη της βαρύτητας, ένα μόνο κύτταρο θα ασκούσε δύναμη περίπου 10 femtonewton. Δεν είναι εύκολη μέτρηση.

Ο Shaevitz και οι συνεργάτες του το επιχειρούν χρησιμοποιώντας μια τεχνική γνωστή ως μικροσκοπία δύναμης έλξης. Αυτό βασίζεται στην παρατήρηση ότι τα βακτήρια παραμορφώνουν οποιοδήποτε μαλακό υλικό γύρω τους καθώς κινούνται. Μετρώντας λοιπόν αυτές τις παραμορφώσεις, είναι δυνατός ο υπολογισμός των δυνάμεων πίσω από αυτές.

Το πείραμα περιλαμβάνει την τοποθέτηση των βακτηρίων σε ένα μαλακό υλικό που μοιάζει με γέλη και στη συνέχεια τη χρήση μικροσκοπίου για να τα φωτογραφίσει καθώς κινούνται. Το εν λόγω υλικό είναι ένα λεπτό στρώμα από μαλακό ελαστικό τζελ από πολυακρυλαμίδιο επικαλυμμένο με χιτοζάνη. Αυτό έχει καλά χαρακτηρισμένες ιδιότητες υλικού που καθιστά εύκολο τον υπολογισμό της δύναμης που απαιτείται για να παραμορφωθεί.



Αλλά όταν οι παραμορφώσεις είναι μικρές, είναι δύσκολο να τις δεις. Έτσι το τζελ περιέχει επίσης μικροσφαιρίδια δύο διαφορετικών χρωμάτων που κινούνται καθώς το υλικό παραμορφώνεται και φαίνονται ευκολότερα. Καθώς τα κύτταρα κινούνται στην επιφάνεια, οποιαδήποτε αλλαγή στη θέση των μικροσφαιριδίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των παραμορφώσεων που προκαλεί αυτή η κίνηση.

Ο Shaevitz και ο συνεργάτης πραγματοποιούν τα πειράματά τους Myxococcus xanthus βακτήρια, τα οποία κινούνται χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικούς μηχανισμούς. Η πρώτη είναι ένα είδος ολίσθησης κατά την οποία η κυτταρική μεμβράνη σε επαφή με την επιφάνεια λειτουργεί σαν τροχιά δεξαμενής καθώς το πλάσμα κινείται. Ένα μόνο ολισθαίνον κύτταρο παράγει δυνάμεις λίγων μόνο piconewton (10-12 Newton), κάτι που δύσκολα επαρκεί για να παραμορφώσει το πήκτωμα. Συμπεραίνουμε ότι η ολίσθηση μεμονωμένων κυττάρων είναι μια διαδικασία χαμηλής τριβής που δύσκολα επηρεάζει το περιβάλλον μηχανικά, λένε οι Shaevitz και συνεργάτες.

Ωστόσο, Myxococcus xanthus έχουν έναν άλλο, πιο ισχυρό τρόπο κίνησης. Αυτό είναι ένα είδος μηχανισμού αγκίστρου, στον οποίο κάθε κύτταρο παράγει μικρές προεξοχές που μοιάζουν με τρίχες που ονομάζονται pili, οι οποίες φτάνουν μπροστά και προσκολλώνται στην επιφάνεια. Τυλίγοντας στο πόδι, τα βακτήρια τραβούν τον εαυτό τους με ταχύτητες περίπου ενός μικρομέτρου ανά δευτερόλεπτο, ή περίπου ενός μήκους σώματος ανά δευτερόλεπτο.

Σε αυτήν την περίπτωση, ο Shaevitz και ο συνεργάτης λένε ότι η μέση δύναμη που δημιουργείται από ένα μεμονωμένο κύτταρο είναι περίπου 50 piconewtons - δηλαδή 10 φορές υψηλότερη από ό,τι για την κίνηση ολίσθησης.



Επιπλέον, τα βακτήρια κινούνται γενικά σε ομάδες, επομένως οι συλλογικές τους δυνάμεις μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερες. Οι μετρήσεις δείχνουν ότι ομάδες βακτηρίων ασκούν δύναμη μεγαλύτερη από 100 piconewton.

Αυτή είναι μια ενδιαφέρουσα εργασία που αποκαλύπτει τουλάχιστον μερικές από τις δυνατότητες των βακτηρίων ως μηχανές ατμομηχανών.

Ωστόσο, υπάρχουν ακόμη σημαντικά αναπάντητα ερωτήματα. Για παράδειγμα, η ανάλυση αυτού του είδους μικροσκοπίου δύναμης έλξης είναι περίπου 0,5 μικρόμετρα, που σημαίνει ότι παραμορφώσεις μικρότερες από αυτό δεν μπορούν να μετρηθούν. Έτσι, αυτή η τεχνική χάνει κάθε δυναμική που εμφανίζεται σε μικρότερη κλίμακα.

γιατί οι άνδρες δεν έχουν έλεγχο των γεννήσεων

Υπάρχουν επίσης πολλά άλλα μυστήρια που σχετίζονται με την κίνηση των βακτηρίων. Για παράδειγμα, κανείς δεν ξέρει γιατί Myxococcus xanthus μπορεί να κινηθεί γρηγορότερα σε μαλακό άγαρ παρά σε σκληρό άγαρ. Αλλά αυτού του είδους η εργασία θα πρέπει να βοηθήσει στην αποκάλυψη απαντήσεων.

Πέρα από αυτό, ένα ενδιαφέρον ερώτημα είναι πώς να εκμεταλλευτείτε την κίνηση των βακτηρίων. Εάν αυτή η κίνηση δημιουργεί δυνάμεις, γιατί να μην τις χρησιμοποιήσετε για να σπρώξετε μοχλούς, να χειριστείτε διακόπτες, να γυρίσετε τους τροχούς του χάμστερ, να μεταφέρετε φορτίο και ούτω καθεξής; Δεν είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς μια πραγματική Disneyland με βακτηριακή δραστηριότητα.

Φυσικά, οι μηχανές σε αυτή την κλίμακα λειτουργούν με εντελώς διαφορετικό τρόπο από την ανθρώπινη κλίμακα - οι αδρανειακές δυνάμεις γίνονται ασήμαντες ενώ άλλες επιδράσεις όπως οι δυνάμεις του van de Waal γίνονται εξαιρετικά σημαντικές. Αυτό είναι κάτι που οι σχεδιαστές μικροηλεκτρομηχανικών συσκευών γνώριζαν εδώ και καιρό—μήπως θα μπορούσαν να βοηθήσουν;

Πράγματι, δεν είναι πέρα ​​από κάθε φαντασία ότι οι συλλογικές δυνάμεις των μεταναστευτικών βακτηρίων θα μπορούσαν μια μέρα να αξιοποιηθούν για να πραγματοποιήσουν χρήσιμη εργασία σε μικρομετρική κλίμακα.

Αναφ.: arxiv.org/abs/1701.00524 : Δημιουργία Συλλογικής Δύναμης από Ομάδες Μεταναστευτικών Βακτηρίων

κρύβω

Πραγματικές Τεχνολογίες

Κατηγορία

Χωρίς Κατηγοριοποίηση

Τεχνολογία

Βιοτεχνολογία

Τεχνική Πολιτική

Την Αλλαγή Του Κλίματος

Άνθρωποι Και Τεχνολογία

Silicon Valley

Χρήση Υπολογιστή

Περιοδικό Mit News

Τεχνητή Νοημοσύνη

Χώρος

Έξυπνες Πόλεις

Blockchain

Feature Story

Προφίλ Αποφοίτων

Σύνδεση Αποφοίτων

Δυνατότητα Ειδήσεων Mit

1865

Η Θέα Μου

77 Mass Ave

Γνωρίστε Τον Συγγραφέα

Προφίλ Στη Γενναιοδωρία

Βλέπεται Στην Πανεπιστημιούπολη

Επιστολές Αποφοίτων

Νέα

Εκλογές 2020

Με Ευρετήριο

Κάτω Από Τον Θόλο

Πυροσβεστική Μάνικα

Άπειρες Ιστορίες

Πανδημικό Τεχνολογικό Έργο

Από Τον Πρόεδρο

Θέμα Εξώφυλλου

Φωτογραφίες

Συνιστάται