צוות מחקר של פרינסטון זיהה חיידקים שיכולים לזהות את מהירות הנוזלים הזורמים.
סוגים רבים של תאים יכולים לחוש זרימה, בדיוק כפי שתאי העור שלנו יכולים להרגיש את ההבדל בין משב רוח עדין לרוח חזקה. אבל אנחנו תלויים בהרגשה של הכוח המעורב, הדחיפה מהאוויר נגדנו. בלי הדחיפה הזו, איננו יכולים להבחין במהירות; כשהחלונות סגורים, העור שלנו לא יכול להרגיש הבדל בחיל האוויר בין אם אנחנו יושבים במשרד, במכונית דוהרת או במטוס שיוט.אבל כעת, צוות חוקרי פרינסטון גילה כעת שכמה חיידקים יכולים למעשה לזהות את מהירות הזרימה ללא קשר לכוח. המאמר שלהם מופיע בכתב העת המקוון Nature Microbiology.
"הנדסנו חיידקים להיות מדי מהירות", אמר זמר גיתאי, פרופסור לביולוגיה של אדווין גרנט קונקלין של פרינסטון והמחבר הבכיר בעיתון. "יש כאן אפליקציה: אנחנו יכולים למעשה להשתמש בחיידקים האלה כחיישני זרימה. אם רצית לדעת את המהירות של משהו בזמן אמת, נוכל להגיד לך."
החיידק עם מד המהירות המובנה, Pseudomonas aeruginosa, הוא פתוגן שנמצא בכל מקום, המצוי בגופים ועליהם, בנחלי מים, באדמה וברחבי בתי חולים. המרכז לבקרת מחלות ומניעתן מסווג את פסאודומונס כ"איום רציני", האחראי ליותר מ-50,000 זיהומים הקשורים לטיפול רפואי בשנה, מתוכם 6,700 עמידים לאנטיביוטיקה ו-440 קטלניים.
"בחלק מבתי חולים, מנתחים משתמשים בחומרי חיטוי כימיים - Purell, בעצם - במקום לקרצף פנימה כי Pseudomonas אוהב לגדול בצינורות", אמר גיתאי. למעשה, פסאודומונס כמעט תמיד מוקף בנוזלים זורמים, בין אם בזרם או בכל אחת ממערכות גוף האדם הכרוכות בזרימה - זרם הדם, מערכת השתן, מערכת העיכול, אפילו הריאות - או במערכות אינסטלציה או רפואיות. ציוד כמו צנתרים, אחד הווקטורים העיקריים לזיהומים לאחר ניתוח.
"אלה חדשות ישנות," אמר גיתאי. "מה שמצאנו הוא שלא רק פסאודומונס נתקלים בזרימה, אלא שהם באמת יכולים לחוש ולהגיב לזרימה הזו. זה עניין גדול. אם הם בזרימה, הם יכולים לשנות את 'ההתנהגות' שלהם, אם תרצו, בהתבסס על הרגשה שהם בזרימה."
Joseph Sanfilippo, עמית מחקר פוסט-דוקטורט במעבדה של גיתאי, ואלכסנדר לורסטני, בוגר בוגר 2017, הם הכותבים הראשיים של המאמר.יחד, הם קבעו שחיידקים יכולים לזהות ואף למדוד את מהירות הזרימה של נוזלים סמוכים כדי להפעיל קבוצה של גנים. הם קראו לגנים האלה "fro", עבור "אופרון מווסת זרימה."
"התגובה של פרו היא לא רק מתג הפעלה-כיבוי; היא למעשה מכוונת למהירות", אמר סנפיליפו. "זה יותר כמו מתג עמום מאשר מתג אור."
לאחר מכן הם יצרו חיבור בין fro לבין גן שגורם לפסאודומונס לזהור, כך שניתן היה לראות את התגובה הגנטית של fro תחת מיקרוסקופ, ובכך ליצור מד מהירות חזותי בזמן אמת. ככל שהזרימה מהירה יותר, כך הזוהר בהיר יותר.
באמצעות הכלי הזה, Sanfilippo הצליח לקבוע את טווח המהירויות שפסאודומונס מגיב אליהן, עם תוצאה מפתיעה: "מסתבר שהן תואמות באופן מושלם לטווח המהירויות של הנוזלים המוכרים בזרם הדם והן. את דרכי השתן," אמר גיתאי.
בהתחשב בקנה המידה המיקרוסקופי של החיידקים ותאי הזרימה בגודל קווצת שיער שבהם הם נבדקו קדימה (50 מיקרון גובה על 500 מיקרון רוחב), החוקרים לא מדדו מהירות בקילומטרים לשעה מסורתיים (או מטרים לשנייה) יחידות, אך במקום זאת נמדדו "קצב גזירה", הקצב שבו שכבות נוזל סמוכות עוברות זו את זו.זה נמדד ביחידות "לשנייה" ללא מרחק.
הם גילו ש-fro לא הגיב לקצבי גזירה מתחת ל-8 לשנייה - איטי יותר מרוב הנוזלים שנמצאים בגוף האדם - אבל הוא כן כוונן את התגובה שלו לקצבי גזירה בין 40 ל-400 לשנייה, אז רמה מעל זה. לשם התייחסות, קצב הגזירה בוורידים אנושיים בגודל ממוצע הוא כ-100 לשנייה.
"המהירויות שאליהן מגיבים הן המהירויות שעוברות בגוף שלך עכשיו", אמר Sanfilippo.
"המחברים משלבים את המומחיות שלהם בביו-הנדסה וביופיזיקה (כדי לייצר את תאי הזרימה החדישים האלה) עם ביולוגיה חדשנית (רצף RNA) כדי להבין כמה שאלות בסיסיות במיקרוביולוגיה", אמרה ג'ואן אנגל, מנהלת מחלות זיהומיות ו פרופסור למיקרוביולוגיה ואימונולוגיה באוניברסיטת קליפורניה-סן פרנסיסקו, שלא היה מעורב במחקר זה.
"היכולת לקרב חוקרים מתחומים מגוונים עוזרת לדחוף את המחקר קדימה בדרכים חדשות ויצירתיות", אמרה."מכיוון שמנגנון חישה זה עשוי להימצא בכל הביולוגיה, הוא עשוי להיות בעל יישומים רחבים ואף עשוי להיות שימושי לפיתוח תרופות חדשות (אנטיביוטיקה) לטיפול בזיהומים חיידקיים, במיוחד זיהומי דם (כמו אלח דם)."
תגובה בלתי תלויה בכוח
סנפיליפו ועמיתיו הניחו בתחילה שהרגישות של פסאודומונס לזרימה חייבת להיות תלויה ביכולת שלו לחוש כוח, בדיוק כפי שכולנו מבינים אינטואיטיבית שיד החוצה מחלון המכונית תרגיש יותר כוח כשאנחנו נוסעים בגובה גבוה יותר. מהירויות. הקשר האינטואיטיבי הזה בין זרימה לכוח הוביל לנקודה עיוורת אוניברסלית בשטח, אמר גיתאי.
"חוקרים אחרים מצאו שחיידקים שונים יכולים להגיב לזרימת נוזלים, והם הניחו למעשה שזה הכוח", אמר גיתאי. "האינטואיציה הייתה כל כך חזקה שהיא צריכה להיות בכוח, שלמעשה אנשים לא טרחו לבדוק זאת במפורש."
דרך לבחון את ההנחה הזו הגיעה מהווארד סטון, הדונלד ר.דיקסון 69' ואליזבת וו. דיקסון פרופסור להנדסת מכונות ותעופה וחלל ומחבר שותף על המאמר. סטון הציע ניסוי שיראה אם החיידק מגיב לכוח או לא: הגישו אותו לחומרים בעלי צמיגות או עובי שונה שזורמים באותה מהירות.
אם אתה שופך מים על היד שלך, אז שפך עליה דבש באותה מהירות, הדבש הצמיג יותר ידחוף חזק יותר אל העור שלך, כך היד שלך תרגיש יותר כוח. Sanfilippo ערך ניסויים עם נוזלים עד פי 10 יותר צמיגים ממדיום ברירת המחדל ומצא ש-fro הגיב רק לקצב הגזירה - המהירות - לא לכוח של הנוזלים העבים יותר.
"ביצוע הניסוי האחד הנוסף הזה - אנחנו קוראים לזה הניסוי של הווארד - באמת היה מפתח", אמר סנפיליפו. זה אפשר לחוקרים לומר באופן סופי שפסאודומונס מכוון את תגובותיו אך ורק למהירות החומרים הזורמים, דבר שמעולם לא תועד קודם לכן.כדי להבדיל את זה מסוגים אחרים של חישה מכנית שתועדו בחיידקים, הצוות טבע את המונח "רheosensing", או חישת זרימה, כדי לתאר את התופעה.
"אנחנו משיקים כאן מיני-שדה", אמר גיתאי. "המחשבה על איך חיידקים חיים בזרימה היא תחום לא נחקר לחלוטין. נשמח שאנשים יסתכלו על זה עם חיידקים אחרים. וכמו שאמרנו, הייתה הנחה ענקית במחקרי יונקים שהכל תלוי בכוח - נשמח שאנשים יקראו את העיתון שלנו ואז יחזרו ויבחנו שוב כמה מהנחות היסוד האלה וישנו את הצמיגות במערכות שלהם."
עדיין לא ברור כיצד Pseudomonas מרוויח מהכרת מהירות הנוזלים הסובבים אותו, אמר גיתאי, אבל זה כנראה קשור לרבגוניות של הפתוגן; הוא קורא לזה האולר השוויצרי של החיידקים.
"לפסאודומונס יש ארסנל עצום של דרכים שונות שהוא יכול לתקוף", אמר גיתאי."רעיון אחד הוא שהוא רוצה לדעת מתי מתאים להשתמש באיזה כלי בארסנל שלו. אם יש לך כוויה, וזה פשוט יושב לך על העור, אולי הגנים שהוא יכול להשתמש בהם כדי לפגוע בך שונים מהגנים ש זה היה נוהג לפגוע בך בדרכי השתן או בדם שלך. וזה הרעיון הגדול כאן, ש- כדי לאנתרופומורפיז אותו - הוא יכול לדעת אם יש זרימה מסביב, וזה עשוי לעזור לו לכוון את התגובה שלו לסביבתו."
צוות המחקר הכל-פרינסטון כלל גם את מתיאס קוך, שותף למחקר פוסט-דוקטורט במכון לואיס-סיגלר לגנומיקה אינטגרטיבית; בנג'מין בראטון, חוקר עמית בביולוגיה מולקולרית; ואלברט סיריאפורן, חוקר פוסט-דוקטורט לשעבר במעבדתו של גיתאי, שכיום הוא עוזר פרופסור באוניברסיטת קליפורניה-אירווין.
