[논문 리뷰] Damping effect of helix-like pili

Johan Zakrisson, Krister Wiklund외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 27.

Botulinum Toxin and Related Neurological Disorders참고 문헌 1인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 병원성 대장균에서 나선형 페일리가 유체 흐름 하에서 펴짐으로써 점착성-수용체 결합에 가해지는 힘을 줄이는 기계적 댐퍼로 작용한다고 제안한다. 생체역학 모델을 사용하여, P 페일리와 타입 1 페일리는 각각 중간 정도의 유속(~25 mm/s)에서 끝단 결합 힘을 약 6배와 약 4배 감소시킴을 입증한다. 이는 난류 상태의 숙주 조직과 같은 동적인 환경에서 박테리아의 점착력을 향상시킨다.

ABSTRACT

Biopolymers are vital structures for many living organisms; for a variety of bacteria, adhesion polymers play a crucial role for the initiation of colonization. Some bacteria express, on their surface, attachment organelles (pili) that comprise subunits formed into stiff helix-like structures that possess unique biomechanical properties. These helix-like structures possess a high degree of flexibility that gives the biopolymers a unique extendibility. This has been considered beneficial for piliated bacteria adhering to host surfaces in the presence of a fluid flow. We show in this work that helix-like pili have the ability to act as efficient dampers of force that can, for a limited time, lower the load on the force-mediating adhesin-receptor bond on the tip of an individual pilus. The model presented is applied to bacteria adhering with a single pilus of either of the two most common types expressed by uropathogenic Escherichia coli, P or type 1 pili, subjected to realistic flows. The results indicate that for moderate flows (~25 mm/s) the force experienced by the adhesin-receptor interaction at the tip of the pilus can be reduced by a factor of ~6 and ~4, respectively. The uncoiling ability provides a bacterium with a "go with the flow" possibility that acts as a damping. It is surmised that this can be an important factor for the initial part of the adhesion process, in particular in turbulent flows, and thereby be of use for bacteria in their striving to survive a natural defense such as fluid rinsing actions.

연구 동기 및 목표

• 유체 흐름 하에서 병원성 대장균의 나선형 페일리가 어떻게 기계적 스트레스를 완화하는지 이해하기.
• 페일리의 펴짐 메커니즘이 페일리 끝단의 점착성-수용체 결합에 가해지는 힘을 줄이는 생체역학적 역할을 조사하기.
• 생리학적으로 관련된 유속 조건 하에서 P 페일리와 타입 1 페일리의 댐핑 효율을 정량화하기.
• 이 힘 감소 메커니즘이 숙주 환경에서의 유체 린싱에 저항하는 데 있어 진화적 이점이 있는지 평가하기.

제안 방법

• 강성과 펴짐 행동을 포함한 알려진 구조적 특성을 바탕으로 나선형 페일리의 생체역학 모델을 수립한다.
• 모델은 유체 흐름으로부터 페일리 끝단의 점착성-수용체 결합으로의 힘 전달을 시뮬레이션하며, 페일리의 연장 및 펴짐 역학을 고려한다.
• 우리요로 상피 표면과 유사한 실제 유속 조건(~25 mm/s) 하에서 시스템을 분석한다.
• 피크 힘을 페일리 펴짐이 있는 경우와 없는 경우를 비교하여 힘 감소 요소를 계산한다.
• 각각 다른 기계적 파rameter를 가진 두 가지 주요 페일리 유형—P 페일리와 타입 1 페일리—간의 차이를 모델에서 식별한다.
• 시간에 따라 변화하는 힘 반응을 계산하고 일시적인 유속 노출 기간 동안의 댐핑 효율을 평가하기 위해 수치 시뮬레이션을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나선형 페일리는 어떤 정도로 유체 흐름 하에서 박테리아 점착 과정 중 점착성-수용체 결합에 작용하는 기계적 하중을 줄일 수 있는가?
• RQ2 중간 정도의 생리학적 유속에서 P 페일리는 타입 1 페일리에 비해 얼마나 많은 힘 감소를 제공하는가?
• RQ3 페일리의 펴짐 메커니즘이 탈락을 방지하기 위한 '유속에 따라 흐름에 따르는 전략'에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 어떤 유속 범위에서 페일리의 댐핑 효과가 박테리아 점착에 가장 유익한가?

주요 결과

• 나선형 페일리는 유체 흐름 하에서 페일리 끝단의 점착성-수용체 결합이 겪는 피크 힘을 크게 감소시킨다.
• 중간 정도의 유속(~25 mm/s)에서 P 페일리는 점착 결합에 작용하는 힘을 약 6배 감소시킨다.
• 동일한 유속 조건에서 타입 1 페일리는 점착 결합에 작용하는 힘을 약 4배 감소시킨다.
• 펴짐 메커니즘이 페일리가 기계적 에너지를 흡수하고 소산시키며, 동적 댐퍼처럼 작용함을 보여준다.
• 이 댐핑 효과는 난류 또는 맥동하는 환경에서 관찰되는 일시적인 유속 사건 동안 가장 효과적이다.
• 이 기계적 버퍼 메커니즘은 유체 린싱 기간 동안 결합 파손 위험을 줄임으로써 박테리아의 생존을 향상시킬 가능성이 있다.