普林斯顿科学家生物工程师是一种细胞速度计

许多细胞都可以感知流动，就像我们的皮肤细胞可以感受到微风和强风之间的差异一样。但我们依靠感受所涉及的力量，从空中对我们的推回。没有这种推动，我们无法区分速度;当窗户关闭时，无论我们坐在办公室，超速驾驶汽车还是巡航飞机上，我们的皮肤都无法感受到空气的任何差异。但现在，普林斯顿大学的一个研究小组已经发现，无论力量如何，一些细菌实际上都可以检测到流速。他们的论文发表在在线期刊“自然微生物学”上。

普林斯顿的埃德温格兰特康克林生物学教授，该论文的资深作者Zemer Gitai说：“我们已经将细菌设计为速度计。”“这里有一个应用：我们实际上可以将这些细菌用作流量传感器。如果您想实时了解某些内容的速度，我们可以告诉您。“

由Zemer Gitai领导的普林斯顿大学生物学家和工程师团队通过将铜绿假单胞菌中的流动检测基因连接到一个用于照明的实时细菌速度计进行生物工程化：流动越快，发光越亮。流量检测与力无关，引发了有关细菌如何感知环境的新问题。

通讯办公室Matilda Luk的插图

含有内置速度计铜绿假单胞菌的细菌是一种普遍存在的病原体，存在于体内，体内，水流，土壤和整个医院中。疾病控制和预防中心将假单胞菌分类为“严重威胁”，每年造成超过50,000例医疗相关感染，其中6,700种抗生素耐药，440种致命。

“在一些医院，外科医生使用化学消毒剂 - 基本上是Purell，而不是擦洗，因为假单胞菌喜欢在管道中生长，”Gitai说。事实上，假单胞菌几乎总是被流动的液体包围，无论是在流中还是在涉及流动的任何人体系统中 - 血流，泌尿道，胃肠道，甚至是肺 - 或者在管道系统或医疗中像导管这样的设备，是手术后感染的主要载体之一。

“这是个老消息，”吉泰说。“我们发现，假单胞菌不仅会遇到流动，而且它们实际上可以感知并响应这种流动。这是一个大问题。如果他们处于流动状态，他们可以改变他们的“行为”，如果你愿意的话，可以根据他们感觉自己是在流动。“

Gitai实验室的博士后研究员Joseph Sanfilippo和2017年毕业生校友Alexander Lorestani是该论文的主要作者。他们一起确定细菌可以检测甚至测量附近流体的流速，从而打开一组基因。他们将这些基因称为“流动调节的操纵子”。

“Fro的回应不仅仅是一个开关;它实际上已经调整到速度，“桑菲利波说。“它更像是一个调光开关而不是一个灯开关。”

然后，他们生物工程化了一个与导致假单胞菌发光的基因之间的联系，从而可以在显微镜下看到来回的遗传反应，从而创建一个实时视觉速度计：流动越快，发光越亮。

使用该工具，Sanfilippo能够确定假单胞菌响应的速度范围，结果令人惊讶：“它们与血液和泌尿道中已知的液体速度范围完全吻合”。吉泰说。

考虑到细菌的微观规模和他们测试的头发大小的流动室(50微米高，500微米宽)，研究人员没有测量传统英里每小时(或每秒米)的速度相反，测量“剪切速率”，相邻的流体层彼此通过的速率。这是以无距离“每秒”单位来衡量的。

他们发现，剪切速率不会低于每秒8次 - 比人体中发现的大多数流体慢 - 但它确实将其对剪切速率的响应调整为每秒40到400之间，然后稳定在此之上。作为参考，人体静脉中的剪切速率约为每秒100次。

“回应的速度是你现在身体的速度，”桑菲利波说。

“作者将他们在生物工程和生物物理学方面的专业知识(制造这些漂亮的流动室)与先进的生物学(RNA测序)相结合，以了解微生物学中的一些基本问题，”传染病主任，微生物学教授Joanne Engel说。加州大学旧金山分校的免疫学，他没有参与这项研究。

“将研究人员从不同领域聚集在一起的能力有助于以新的和创造性的方式推动研究，”她说。“由于这种传感机制很可能在整个生物学中被发现，它可能有广泛的应用，甚至可能用于开发治疗细菌感染的新药(抗生素)，尤其是血液感染(如败血症)。”

一种与力量无关的反应

Sanfilippo和他的同事们最初认为，假单胞菌对流动的敏感性必须取决于它感知力的能力，正如我们都直观地理解当我们以更高的速度行驶时，一辆车窗口会发出更大的力量。Gitai说，流量和力量之间的直观联系导致了该领域的普遍盲点。

“其他研究人员发现，不同的细菌可以对流体流动作出反应，并且他们有效地认为它是力量，”Gitai说。“直觉是如此强烈，以至于它应该是武力，事实上人们并没有费心去明确地测试它。”

测试这一假设的方法来自Howard Stone，Donald R. Dixon '69和Elizabeth W. Dixon机械和航空航天工程教授以及该论文的共同作者。Stone提出了一个实验，可以显示细菌是否对力有反应：将其提交给以相同速度流动的不同粘度或厚度的材料。

如果你将水倒在手上，然后以相同的速度将蜂蜜倒在上面，粘稠的蜂蜜会更加紧贴皮肤，这样你的手就会感觉更有力量。Sanfilippo使用比默认介质粘度高10倍的流体进行实验，发现只对剪切速率 - 速度 - 而不是较厚流体的力作出反应。

“做另外一个实验 - 我们称之为霍华德的实验 - 真的很关键，”桑菲利波说。这使研究人员能够最终确定假单胞菌正在纯粹根据流动材料的速度调整其响应，这是以前从未记录过的。为了将其与细菌中记录的其他类型的机械传感区分开来，该团队创造了“流变传感”或流动传感这一术语来描述这种现象。

“我们在这里开设了一个小型油田，”Gitai说。“考虑细菌如何在流动中生存是一个完全未被探索的领域。我们希望人们能够与其他细菌一起看待这个问题。正如我们所说，哺乳动物研究中有一个巨大的假设，即一切都依赖于力 - 我们希望人们阅读我们的论文，然后回过头来重新审视其中的一些假设并改变他们系统中的粘度。

Gitai说，目前尚不清楚假单胞菌如何从了解其周围液体的速度中获益，但它可能与病原体的多功能性有关;他称之为瑞士军刀细菌。

“伪单胞菌有很多不同的方式可以攻击，”吉泰说。“一个想法是，它想知道何时适合在其武器库中使用哪种工具。如果你有烧伤，它只是坐在你的皮肤上，也许它可以用来伤害你的基因不同于它会在你的泌尿道或血液中伤害你的基因。这就是一个重要的想法，即 - 将其拟人化 - 它可以知道是否存在流动，这可能有助于调整其对环境的响应。“