Калифорнийский университет в Беркли, физики выяснили это на собственном горьком опыте, когда клетки пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae), которые они изучали, размножились так быстро, что взорвали крошечную камеру, в которой они росли.
Когда научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли Морган Деларю измерил силу, которую растущая масса клеток проявляет, когда они сталкиваются друг с другом, он подсчитал, что она может быть почти в пять раз выше, чем давление в автомобильной шине – около 150 фунтов на квадратный дюйм, или в 10 раз больше атмосферного. давление.
«Это больше, чем просто странное наблюдение», – сказал Оскар Халлатчек, доцент кафедры физики Калифорнийского университета в Беркли и руководитель группы. Бутонированные дрожжи или другие живые клетки, которые делятся на две части и экспоненциально растут в количестве, вполне могут генерировать такие механические силы, чтобы изменить свою среду, возможно, повреждающими способами. Это может быть даже более важно для клеток, таких как дрожжи, которые не могут двигаться.
«Наши результаты показывают, что самоуправляемое заклинивание и создание большого давления является естественной тенденцией пролиферирования клеток и может способствовать микробному патогенезу и биообрастанию», – сказал он.
Биообрастание – это когда бактерии или другие организмы размножаются настолько, что мешают работе оборудования, например, в водяных насосах.
Фактически, когда аспирант Йорн Хартунг выращивал дрожжи в геле, он обнаружил, что они расщепляют гель, что является возможным примером того, как они могут создавать трещины в камнях или частицах почвы.
«Механизм, который позволяет этим популяциям клеток генерировать такие силы, может иметь отношение к ремоделированию микросреды», – сказал Халлатчек. "Если вы ограничены, может быть, хорошо иметь возможность разрушить материал и изменить размер пор в окружающей среде."
Халлатчек, Деларю, Хартунг и их коллеги из Калифорнийского университета в Беркли и Института динамики и самоорганизации Макса Планка в Геттингене, Германия, сообщили о своих открытиях на этой неделе в журнале Nature Physics.
В комментарии к тому же выпуску журнала физики Шреяс Гокхейл и Джефф Гор из Массачусетского технологического института написали, что эта работа может «оказаться отправной точкой для нового класса экспериментов на стыке физики и биологии."
Микробные лавины
Халлатчек изучал последствия ограниченного пространства для биофизики микробов и разработал микрожидкостный биореактор диаметром 30 микрон – примерно одну десятитысячную дюйма – в котором он мог выращивать дрожжевые клетки и контролировать степень локализации.
Его эксперименты показали, что когда микробы растут в узких каналах, они имеют тенденцию застревать и открепляться, как песчинки, стекающие по бункеру, или леденцы из машины для жевания жевательной резинки. Результат – прерывистый поток, характеризующийся остановками и сходами лавин.
«Люди смотрели на песок, стекающий по бункеру, и наблюдали очень резкий поток, как мы наблюдали здесь», – сказал он. "Это связано с образованием силовых цепей, которые образуют мост, который на некоторое время сдерживает поток песка.
Когда один из мостов ломается, песок снова течет. Таким образом, вы получаете серию точечных сходов лавин."
Как следствие этого самовольного заклинивания микробы могут создавать механическое контактное давление до 1 мегапаскаль: достаточно большое, чтобы деформировать или даже расколоть ограничивающую полость.
Команда Халлатчека в настоящее время моделирует рост дрожжевых клеток с помощью вычислений, используя в качестве своей модели текучий и «пролиферирующий» песок.
Видео: https: // www.YouTube.com / watch?v = SQ_rVZz8QLQ