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バクテリアはどのくらいの力を生み出しますか？現在測定されています
バクテリアは、さまざまな奇妙な歩行メカニズムを使用して移動します。これらの移動により、彼らは獲物を追跡し、バイオフィルムを形成し、単に凝集することができます。
そして、それは奇妙な質問を提起します。この動く能力を考えると、バクテリアは進むにつれてどのくらいの力を生み出しますか？言い換えれば、彼らはどれだけ強く押すことができますか？
今日は、プリンストン大学のJoshua Shaevitz、Benedikt Sabass、およびHowardStoneの仕事に感謝します。これらの人々は、関係する小さな力を測定する方法を開発し、押したり押したりすることになると、バクテリアが彼らの体重をはるかに超えてパンチすることを示しています。
典型的な細菌細胞は、長さがわずか数マイクロメートルで、10〜15キログラムの領域の質量を持っています。重力の下では、単一のセルは約10フェムトニュートンの力を発揮します。それを測定するのは簡単な力ではありません。
Shaevitzらは、牽引力顕微鏡法として知られる技術を使用してそれを試みています。これは、バクテリアが移動するときに周囲の柔らかい物質を変形させるという観察に基づいています。したがって、これらの変形を測定することにより、それらの背後にある力を計算することが可能です。
実験では、バクテリアを柔らかいゲル状の材料の上に置き、顕微鏡を使用してバクテリアが動くときに写真を撮ります。問題の材料は、キトサンでコーティングされたポリアクリルアミドで作られた柔らかい弾性ゲルの薄層です。これは、十分に特性化された材料特性を備えているため、変形に必要な力を簡単に計算できます。
しかし、変形が小さいと見づらいです。そのため、ゲルには2つの異なる色のマイクロビーズも含まれており、材料が変形すると動き、見やすくなります。細胞が表面を横切って移動するとき、マイクロビーズの位置の変化を使用して、この移動が引き起こす変形を計算することができます。
Shaevitzと共同で実験を行う Myxococcus xanthus 2つの異なるメカニズムを使用して移動する細菌。 1つ目は、表面に接触している細胞膜が、生き物が動くときにタンクトラックのように機能する一種の滑走運動です。単一の滑走セルは、わずか数ピコニュートン（10〜12ニュートン）の力を生成しますが、これはゲルを変形させるのに十分ではありません。 Shaevitzらは、個々の細胞の滑走は、環境に機械的にほとんど影響を与えない低摩擦プロセスであると結論付けています。
でも、 Myxococcus xanthus 別の、より強力な移動方法があります。これは一種の鉤縄機構であり、各細胞が線毛と呼ばれる小さな毛のような隆起を生成し、それが前方に到達して表面に付着します。線毛を巻き上げることにより、バクテリアは毎秒約1マイクロメートル、または毎秒約1体長の速度で自分自身を引き寄せます。
この場合、Shaevitzらは、単一のセルによって生成される平均力は約50ピコニュートンであり、これは滑走運動の10倍であると述べています。
さらに、バクテリアは一般的にグループで移動するため、それらの集合的な力ははるかに高くなる可能性があります。測定は、バクテリアのグループが100ピコニュートン以上の力を発揮することを示しています。
これは、機関車としてのバクテリアの能力の少なくとも一部を明らかにする興味深い研究です。
ただし、未回答の重要な質問がまだあります。たとえば、この種の牽引力顕微鏡の解像度は約0.5マイクロメートルであり、これよりも小さい変形は測定できません。したがって、この手法では、小規模で発生するダイナミクスを見逃します。
バクテリアの動きに関連する他の謎もたくさんあります。たとえば、理由は誰にもわかりません Myxococcus xanthus 硬い寒天よりも柔らかい寒天の方が速く動くことができます。しかし、この種の作業は答えを明らかにするのに役立つはずです。
これを超えて、興味深い質問は、細菌の動きをどのように利用するかです。この動きで力が発生する場合は、レバーを押したり、スイッチを操作したり、回し車を回したり、貨物を運んだりするのに使ってみませんか？バクテリアの活動の真のディズニーランドを想像するのは難しいことではありません。
もちろん、この規模の機械は人間の規模とはまったく異なる方法で動作します。慣性力は重要ではなくなりますが、ファンデルワールス力などの他の効果は非常に重要になります。これは、微小電気機械デバイスの設計者が長い間知っていたことです。おそらく彼らは助けることができるでしょうか？
確かに、移動するバクテリアの集合的な力がいつの日かマイクロメートルスケールで有用な仕事を実行するために利用されるかもしれないことは想像を超えていません。
参照： arxiv.org/abs/1701.00524 ：移動する細菌のグループによる集団力の生成