发现热波动和振荡模式可确定细胞中细菌的摄取

细菌或病毒如何以及通过何种努力进入细胞并引起感染?来自弗赖堡的研究人员现在为回答这个问题做出了重要贡献。

由物理学家AlexanderRohrbach教授和他的合作者YareniAyala博士领导的团队能够展示模型细菌的热波动和模型细胞的膜振荡模式如何影响模型细菌对接和进入细胞膜的能量.结果刚刚发表在《自然通讯》杂志上。

就像摇摇晃晃的气球上粘着一块糖果

“要了解细菌或病毒是如何进入细胞的，你可以想象一个软软的、摇摇晃晃的气球上有一块粘糊糊的糖果。当孩子摇晃橡胶气球时，糖果会粘得更紧，”罗尔巴赫教授说。-弗莱堡大学微系统工程系的生物和纳米光子学。

在他的实验室里，激光和生物物理学家建立了一个类似的实验来研究感染过程的物理学。摇摇晃晃的气球相当于一个巨大的单层囊泡(GUV)，用作生物模型细胞。膜囊泡的大小与直径约20微米的微小沙粒相同。

这里的粘糖相当于一个一微米的小圆形颗粒，作为模型细菌并与膜接触。研究人员使用激光镊子不仅可以通过光力捕获和夹持粒子，还可以小步靠近膜，与之接触甚至使其变形，直到粒子滑入膜泡中。

热波动编码关键信息

使用光学镊子和激光散射，不仅可以测量必要的力和能量，还可以测量颗粒的热运动，这是其吸收所必需的。实验过程中，膜泡和颗粒在室温下处于水溶液中。水分子在液体中向各个方向射出，与粒子碰撞并导致它执行一种称为布朗运动或热波动的特征性颤动运动。

同时，高度动态的水分子激发膜泡以不同的振幅和波长振荡(所谓的膜模式)，这些振幅和波长彼此完全独立地产生和再次衰减。

“我们假设，”亚历山大·罗尔巴赫(AlexanderRohrbach)说，“我们体内活细胞的质膜也会执行类似的过度阻尼振荡，并与热移动的细菌相互作用，这在某些情况下会导致颗粒摄取和细胞感染。”

激光陷阱的波动数据

糖果将自己包裹在摇摇晃晃的气球中的强度取决于糖果的粘性和气球橡胶的状况。类似地，细胞膜具有许多受体，这些受体特异性结合例如接近细菌的配体。

在这里，弗莱堡物理学家与WinfriedRömer教授领导的小组合作，能够改变模型细胞的膜并改变模型细菌的涂层，以研究热波动在不同粘附力下的影响力(“粘性”)。Römer是弗莱堡大学信号过程合成生物学教授。

“起初，我们有点失望，”Rohrbach承认，“因为激光阱中粒子的波动数据对于与膜的不同距离或不同膜几乎没有明显差异。”

尽管事实上研究人员以微秒为间隔记录信号，使他们能够记录粒子运动的微小变化。只有当他们以不同的方式分析数据时，运动模式的显着差异才会突然出现，现在必须在数学方法和计算机模拟的帮助下理解这些差异，物理学家使用它们来测试他们对复杂现象的概念和解释跟随他们。

使用弦乐器的物理学作为比较

在数学模型中，许多振荡模式的叠加起着决定性的作用。在这里，吉他的物理学有助于解决哪些振荡模式被抑制以及哪些振荡模式被放大的问题：如果增加吉他弦的张力，振荡模式的平均频率会变得更高。

如果膜泡的张力因更多的内部压力或膜分子的不同化学成分而增加，则膜泡平均会以更高的模式振荡。如果用手指缩短吉他或小提琴琴弦的振动长度，某些基本模式就会消失或被抑制，音调会再次变高。

如果细菌现在与膜泡接触，基本振荡将越来越受到抑制，只有频率更高的模式，即更短的振荡长度，才能存活下来。由于膜泡的每种振荡模式都有自己的阻尼或摩擦，因此可以使用计算机模拟来估计所有幸存模式的总阻尼和振幅。

测量和计算机模拟均表明，粒子膜变形直至其完全吸收到膜泡内部所需的能量将与刚度密切相关，最重要的是，膜运动的阻尼。

细菌更容易渗入细胞膜

这些数学模型和每秒一百万个粒子位置的运动测量可以证实，例如，为什么表面具有某些蛋白质(配体)的细菌更容易与具有某些膜受体的细胞结合。

然而，最重要的是，数学模型可用于解释更强的波动和更小的阻尼膜如何降低能量成本，从而增加细菌被吸收的可能性，这对应于细胞感染风险的增加。