亞利桑那州立大學的新研究表明，細菌可以以意想不到的方式傳播。即使正常的推進系統發生故障，細菌通常也會使用鞭毛移動。細長的鞭狀結構，透過旋轉推動細胞前進。這項新研究表明，微生物仍然可以在沒有這些結構的表面上傳播。
運動對於細菌來說很重要。幫助他們融入社區。探索新環境並逃離危險條件了解細菌如何移動可能有助於科學家設計更好地預防感染的策略。
在第一項研究中，研究人員 Navish Wadhwa 和他的團隊發現沙門氏菌和 大腸桿菌 即使鞭毛失活，也可以在潮濕的表面上移動。細菌透過新陳代謝產生運動。當它們發酵糖時，它們會產生小電流。透過潮濕表面向外流動這些水流會逐漸將細菌向外推。就像一片樹葉沿著細流漂浮。
研究人員將這種新發現的運動稱為「揮舞」。這項發現可能有助於解釋致病微生物如何在醫療設備、傷口和食品加工設備中定殖。透過了解細菌新陳代謝如何驅動這種類型的運動。科學家或許能夠透過改變環境條件（例如 pH 值或糖水平）來減緩或停止這種運動。
“我們對這些細菌在沒有功能性鞭毛的情況下在表面遷移的能力感到驚訝。事實上，我們的合作者將這個實驗設計為‘陰性對照’，這意味著我們預計（展示時）鞭毛會更少。細胞不會移動，”Wadhwa 說。 「但是細菌會肆無忌憚地遷移。就好像沒有什麼問題一樣。這讓我們開始了多年的探索，以了解它們是如何做到這一點的。
“這表明，即使我們認為我們已經解決了一些問題，表面之下總會有驚喜等待著。或者在這種情況下，驚喜高於一切。”
瓦德瓦是演化機制生物設計中心的研究員，也是亞利桑那州立大學物理系的助理教授。該研究出現在 細菌學雜誌 並被選為編輯選擇。強調此事的重要性
用糖打
當細菌在發酵過程中消耗可發酵糖（例如葡萄糖、麥芽糖或木糖）時，就會引發研磨效應。微生物透過各種產品釋放酸度。包括乙酸鹽和甲酸鹽。這些化合物將水從周圍表面吸引到菌落中。這會產生一個小電流，將細胞向外推動。
此運動需要發酵糖。沒有它們，細菌將無法產生清洗所需的流體流動。體內富含糖的環境（例如黏液）會使有害細菌更容易傳播並引發感染。
科學家也測試了添加表面活性劑時會發生什麼。這些化合物完全停止了研磨，但是，相同的化學物質並沒有乾擾蜂群。這是鞭毛驅動的另一種細菌運動。這使得微生物能夠在潮濕的表面上快速傳播。這種差異表明這兩種行為取決於不同的物理機制。它也暗示有一天表面活性劑可能會被用來控制細菌的運動。這取決於微生物是在舔食還是成群結隊。
即使細菌的正常游泳機制失效，細菌仍能在表面定殖，這項發現具有重要的健康意義。有些微生物可能會透過清洗而經由醫用導管、植入物或醫院設備傳播。僅阻止鞭毛可能無法阻止這種傳播。相反，治療可能需要針對驅動液體流動的代謝過程。
大腸桿菌 沙門氏菌是眾所周知的食源性疾病的原因。認識到這些細菌可以透過被動流體流動傳播可能有助於改善食品加工廠的衛生策略。這是因為洗滌取決於產品的發酵和酸化。表面 pH 值或糖水平等因素的變化可能會限制細菌的生長。研究表明，即使酸度的微小變化也會影響細菌的運動。
類似的情況也可能存在於人體中。潮濕的環境，例如腸道中的黏液、傷口中的液體或泌尿道是細菌可以透過研磨水傳播的表面。即使它們的鞭毛不能很好地工作。
用於細菌運動的分子齒輪系統
第二項研究檢視了另一類稱為黃細菌的微生物。 大腸桿菌這些細菌不會游泳。相反，它們使用一種稱為 9 型分泌系統（T9SS）的特殊機器在環境和生物體表面移動。該系統為沿著細胞表面移動的分子傳送帶提供動力。
在正常條件下，T9SS 允許黃細菌在表面上滑動。該機構的工作原理是移動一條塗有膠水的皮帶。細胞外並以類似微型雪地摩托車的方式將細菌向前拉。
研究人員發現，該系統中的一種名為 GldJ 的蛋白質充當一種控制馬達方向的變速桿。當 GldJ 的一小部分被移除時，馬達從逆時針方向反轉為順時針方向。這種變化改變了細菌傳播的方向。
這項研究詳細描述了這種分子齒輪機制。並展示這種機制如何讓細菌調整其運動以應對複雜的環境條件。這種能力可以透過幫助微生物更有效地在表面導航來提供演化優勢。
對人類健康和微生物組研究的影響
T9SS系統對細菌運動影響較大。它還可以透過多種方式影響人類健康。這取決於所涉及的微生物群落。
口腔微生物組中具有 T9SS 系統的細菌與牙齦疾病有關。它們釋放的蛋白質會引發口腔發炎。它還可能導致心臟病和阿茲海默症等疾病。
相反，腸道微生物組中的 T9SS 活性是有益的。透過此系統分泌的蛋白質可以保護抗體免於降解。這可以增強免疫保護，並可能提高口服疫苗的有效性。
了解這種分子齒輪箱的工作原理可以幫助研究人員開發阻止細菌形成生物膜的方法。同時引起感染和污染醫療設備的黏液群落科學家或許能夠利用這些機制來支持有益微生物並設計有針對性的微生物療法。
「我們非常高興發現了一種獨特的雙作用奈米齒輪系統，該系統結合了反饋機制。揭示了一種可控的生物雪地摩托車，並展示了細菌如何在環境中動態調整其運動和分泌，」Shrivastava 說。 「由於這一進步，我們的目標是確定這條非凡分子傳送帶的高分辨率結構。以可視化方式顯示移動部件如何協調、傳遞力以及以原子精度響應機械反饋。揭開這一複雜的設計不僅將加深我們對微生物進化的理解；而且還將激發下一代生物工程奈米機器和治療技術的發展。」
Shrivastava 是基礎和應用微生物組學生物設計中心、進化機制生物設計中心的研究員，也是亞利桑那州立大學生命科學學院的助理教授。該研究發表在期刊上 M生物。
多種策略有助於細菌傳播。
乍一看，這兩個發現是平滑衝浪和分子齒輪。然而，這似乎是天壤之別，兩者都強調了細菌如何展出如此多意想不到的運動和傳播策略。微生物的運動選擇越多越好。他們變得越難控制。
研究結果還表明，可能需要新的方法來對抗細菌感染。許多傳統策略都專注於滅活鞭毛。但這些研究表明，即使沒有細菌，細菌也可以繼續傳播。
該研究指出了控制細菌生存環境的重要性。糖的有效性、pH 值和表面化學等因素可能在限制細菌運動方面發揮重要作用。幹擾 T9SS 變速箱等分子系統還可以防止細菌移動和釋放導致疾病的有害蛋白質。
