Nghiên cứu hành vi của vi khuẩn trong chuyển động bằng phương pháp định lượng - Kỳ cuối

Kỳ cuối: Đo lường các lực được tạo ra bởi vi khuẩn

Các kỹ thuật cổ điển và mới được cập nhật giúp các nhà vi sinh học tiến gần hơn đến đề tài nghiên cứu và định lượng được.

Nhà nghiên cứu: Nicolas Biais, Trợ lý Giáo sư về Sinh học, Đại học Brooklyn.

Thách thức: Nhiều cấu trúc vi khuẩn thường có được xung quanh là những cỗ máy phân tử phức tạp, trong đó, các bộ phận có cấu trúc tốt về vật lý và di truyền. Tuy nhiên, cách các vi khuẩn sử dụng cấu trúc này để tự đẩy tới phía trước lại khác nhau, đòi hỏi sự đo lường các lực ở quy mô hiển vi.

Nghiêm các lực của vi khuẩn

Các roi để bơi của các vi khuẩn đã được nghiên cứu kĩ nhưng “chúng ta không biết bằng cách nào mà vi khuẩn có thể di chuyển trên bề mặt”- Biais cho biết. Nhóm của ông nghiên cứu các cấu trúc dài mà vi khuẩn có thể mở ra và rút lại gọi là “nhung mao loại IV” (Type IV pili). Nhung mao này có thể được tìm thấy trên nhiều vi khuẩn truyền nhiễm bao gồm Vibrio cholera và Neissria gonorrhoeae. Biais gọi chúng là “người nhện cỡ nhỏ” (small-scale spidermen) bởi các vi khuẩn này sử dụng tiêm mao như các neo móc để kéo chúng trên bề mặt, tương tác với vi khuẩn khác và gắn vào các tế bào biểu mô của các sinh vật mà chúng lan truyền.

Đo lường các lực được tạo ra bởi vi khuẩn

Để đo các lực vi khuẩn tác động vào môi trường của chúng, Nicolas Biais cho thêm một lượng Neisseria gonorrhoeae và bắt đầu quay phim lại. Vi khuẩn bám vào các trụ hiển vi bằng cách sử dụng sự phóng ra các sợi mảnh gọi là nhung mao. Bằng cách tập trung vào đầu của các trụ và chúng bị bẻ cong (X) tới mức nào, ông có thể đo được lực kéo (F) của vi khuẩn sau khi tính toán sự co giãn của các trụ (suy ra từ một bước hiệu chuẩn và ký hiệu là k). Một ảnh quét hiển vi cho thấy một khuẩn lạc nhỏ của N. gonorrhoeae đang kéo các trụ bằng nhung mao của chúng.

Giải pháp: Nhóm phòng thí nghiệm của Biais sử dụng 3 phương pháp để thao tác với vi khuẩn. Cả 3 đều cho vi khuẩn – thường là một mẫu từ sự lựa chọn hệ thống mẫu của nhóm, N. gonorrhoeae – một thứ gì đấy để tương tác.

Nhíp quang học tạo ra một độ lệch năng lượng điện tử với sự giúp đỡ của chùm tia lazer hội tụ cao. Năng lượng này có thể bẫy các vật thể nhỏ và thao túng chúng nếu có sử dụng nhíp hiển vi. Biais sử dụng nhíp để cung cấp hạt bọc protein cho vi khuẩn bám vào và kéo. Bằng cách đo độ dịch chuyển của hạt, các nhà nghiên cứu có thể xác định được lực mà vi khuẩn tạo ra. Một máy quay gắn vào kính hiển vi ghi lại những hình ảnh phục vụ cho việc phân tích trong chương trình như ImageJ hay MATLAB.

Tuy nhiên, ánh sáng của lazer tạo ra nhiệt có thể thay đổi hành vi của vi khuẩn. Với sự thao túng ít rắc rối hơn, Biais xây dựng các trụ polymer hiển vi, sử dụng các phương pháp in thạch bản tương tự như làm khuôn chip máy tính. Vi khuẩn có thể di chuyển qua các trụ hiển vi và Biais đo độ dịch chuyển của mỗi vi khuẩn.

Nhíp từ tính có giá rẻ và dễ sử dụng hơn nhíp quang học và không làm tế bào nóng lên. Chúng hoạt động giống nhau, giữ các hạt từ tính ở vị trí cho phép các nhà nghiên cứu đo sự dịch chuyển để xác định lực. Tuy nhiên, những nhíp này không thể di chuyển nhanh như nhíp quang học và chủ yếu hữu ích khi áp dụng đối với các lực xác định và hiệu chỉnh.

Sử dụng kết hợp các công cụ này, nhóm của Biais đã nghiên cứu nhung mao của giống Neisseria và đã phát hiện ra rằng một sợi đơn có đường kính 6 nanômét nhưng dài 20 micrômét có thể tạo ra lực tới 100 piconewtons. Gộp lại theo nhóm 8 tới 10 sợi, nhung mao có thể duy trì 1 nanonewton kéo trong 1 giờ đồng hồ. Lực này tương đương với 100.000 lần trọng lượng của vi khuẩn. Do sự xáo động trên tế bào, động vật có vú kích hoạt một loạt tín hiệu để bảo vệ tế bào khỏi nhiễm khuẩn. Sự nhìn sâu vào trong tương tác của tế bào biểu mô có thể đưa ra những mục tiêu mới cho thuốc kháng sinh tấn công.

DIY: Lazer thì đắt nhưng nhíp quang học hay nhíp từ tính là những vật dụng cần thiết để hiệu chỉnh các phép đo trên trụ hiển vi. Biais đã đồng sáng tác một chương sách phục vụ việc hướng dẫn sử dụng cả ba công cụ này, bao gồm các phương pháp chế tạo để có được một khuôn trụ hiển vi. Trong một chương khác, Biais nghiên cứu các chi tiết nhíp từ tính. Tuy nhiên, với phạm vi lực mà vi khuẩn có thể tạo ra, cần thiết có những thay đổi tùy thuộc vào sinh vật.

Xem thêm:

Kỳ 1: Phân tích các mẫu vi khuẩn

Kỳ 2: Theo dõi nhiều vi khuẩn cùng một lúc

Kỳ 3: Phát hiện số lượng nhỏ vi khuẩn trong các bệnh lây nhiễm

Theo www.the-scientist.com

Tin bài khác

Nghiên cứu điều chế dược chất phóng xạ 18F-Choline sử dụng trong chụp PET/CT chẩn đoán ung thư tuyến tiền liệt

09/07/2024

Nghiên cứu thu hồi và tách đất hiếm từ mỏ Nam Đề Gi để sản xuất phân bón vi lượng

13/06/2024

Khử mặn bằng màng lọc polyester mới tiết kiệm chi phí

16/05/2024

Tryptophan trong chế độ ăn và vi khuẩn đường ruột chống nhiễm trùng E. coli

08/04/2024

Pin không chứa coban cung cấp năng lượng cho ô tô trong tương lai

19/02/2024

Bóng bán dẫn mới làm từ phốt pho đen đơn lớp và arsenide gecmani

21/01/2024

Kem “siêu melanin” bảo vệ da khỏi tác hại của ánh nắng mặt trời và chữa lành vết thương

04/12/2023

Cao su kỹ thuật chống rung, chịu nén dùng trong đầu máy - toa xe và túi nâng trục vớt, cứu hộ đường thủy

12/11/2023

Chế tạo vật liệu hydrogel từ gelatin/carboxymetyl-chitin và gelatin/carboxymetyl-chitosan

29/10/2023

Nghiên cứu Nano Selen làm thành phần bổ sung trong thức ăn nuôi tôm thẻ

22/10/2023

Nghiên cứu chất xúc tác quang cho phản ứng tạo nhiên liệu tái tạo

08/10/2023

Bảo tồn, lưu giữ các vi sinh vật bảo vệ thực vật

07/09/2023