德克薩斯A&M大學(xué)Artie McFerrin化學(xué)工程系助理教授Pushkar Lele正在開(kāi)發(fā)細(xì)菌力學(xué)細(xì)菌的新見(jiàn)解，以幫助設(shè)計(jì)能夠抵抗傳染性昆蟲(chóng)定植的優(yōu)質(zhì)生物醫(yī)學(xué)植入物。樂(lè)樂(lè)集團(tuán)還專注于揭示生物軟物質(zhì)相互作用的基本原理，以構(gòu)建基于生物納米技術(shù)的分子機(jī)器。Lele的實(shí)驗(yàn)室目前專注于一種獨(dú)特的細(xì)菌旋轉(zhuǎn)裝置 - 鞭毛馬達(dá)。

根據(jù)Lele的說(shuō)法，已經(jīng)確定了運(yùn)動(dòng)細(xì)菌如何使用鞭毛馬達(dá)游泳并對(duì)化學(xué)刺激作出反應(yīng)。這使細(xì)菌能夠?qū)ふ覡I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)并逃避有害化學(xué)物質(zhì)。然而，在他最近的工作中，Lele現(xiàn)在證明了電機(jī)對(duì)機(jī)械刺激也很敏感，并確定了負(fù)責(zé)響應(yīng)的蛋白質(zhì)成分。感應(yīng)啟動(dòng)對(duì)多種蛋白質(zhì)組件的敏感控制，這些蛋白質(zhì)組合形成電動(dòng)機(jī)。對(duì)電動(dòng)機(jī)組件的控制有助于微調(diào)細(xì)胞行為并促進(jìn)在各種環(huán)境中存活的機(jī)會(huì)。

“細(xì)菌的觸覺(jué)是什么?它們很可能使用鞭毛等附屬物來(lái)檢測(cè)固體基質(zhì)，類似于我們使用的手指，”Lele說(shuō)。“他們?nèi)绾问褂帽廾R(shí)別基質(zhì)一直是生物學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，具有巨大的生物醫(yī)學(xué)意義。我們的研究結(jié)果已經(jīng)解決了這個(gè)重要問(wèn)題。我們現(xiàn)在知道[如何]電機(jī)組件參與傳感基板[和]想知道這些傳感器如何觸發(fā)最終導(dǎo)致感染的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。“

樂(lè)樂(lè)和他的團(tuán)隊(duì)試圖了解鞭毛如何使細(xì)胞適應(yīng)環(huán)境并與之相互作用。該小組目前的重點(diǎn)是在分子水平上解釋有助于在基質(zhì)上進(jìn)行定植和侵襲的機(jī)制，例如生物醫(yī)學(xué)植入物。

“我們正在構(gòu)建一套工具和一定程度的理解，這將有助于我們解釋細(xì)胞如何識(shí)別線索，適應(yīng)并最終在重復(fù)的環(huán)境挑戰(zhàn)中存活下來(lái)，”Lele說(shuō)。“我們的重點(diǎn)不一定是用抗生素破壞蟲(chóng)子，因?yàn)檫@是一種促進(jìn)抵抗的有保障的方法。相反，我們想通過(guò)誘使細(xì)胞不識(shí)別基質(zhì)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，從而間接地掩蓋基質(zhì)。”

根據(jù)Lele的說(shuō)法，這可以通過(guò)干擾細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)并防止病原體獲得立足點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。然后身體必須擺脫病原體。

“刪除信令網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要組件，”Lele說(shuō)。“你可以用一個(gè)鏈中的100個(gè)人來(lái)思考它。如果你移除一群人，那么那個(gè)信號(hào)就會(huì)中斷。如果組件可以被停用，那就太好了;否則我們操縱輸入的信號(hào)。我們不會(huì)殺人細(xì)胞，但蟲(chóng)子不能再打開(kāi)殖民化所需的基因。“

Lele及其團(tuán)隊(duì)的這些努力針對(duì)的是不斷增長(zhǎng)的公共健康問(wèn)題 - 抗生素耐藥性。成群的細(xì)菌或包裹在生物膜中的細(xì)菌易于對(duì)目前使用的最有效的抗生素產(chǎn)生抗性。Lele說(shuō)，這項(xiàng)研究可以挽救生命，在這個(gè)行業(yè)中，導(dǎo)管相關(guān)的尿路感染導(dǎo)致的死亡人數(shù)每年從10,000到13,000。但是，這些應(yīng)用不僅限于醫(yī)療保健行業(yè)。

“除了對(duì)公共衛(wèi)生的明顯影響之外，各種行業(yè)都可以從這類工作中受益，”Lele說(shuō)。“細(xì)菌會(huì)在任何可能的地方造成惡作劇。工程材料的生物污染是一個(gè)古老且昂貴的問(wèn)題，每年造成數(shù)十億美元的損失。”

Lele所做的研究也與生物納米技術(shù)領(lǐng)域有關(guān)。利用生物結(jié)構(gòu)作為模板，樂(lè)樂(lè)和他的合作者旨在指導(dǎo)人造馬達(dá)在這些長(zhǎng)度尺度上的自組裝。

“研究這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)很好的理由是，這些是用于理解納米級(jí)復(fù)雜現(xiàn)象的模型系統(tǒng)。” 樂(lè)樂(lè)說(shuō)。“我們?nèi)绾巫詈玫啬７伦匀徊⒅笇?dǎo)納米尺度的物體組裝?在自上而下和自下而上的技術(shù)方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，可以在最小的長(zhǎng)度尺度上建立有用的特征。但是精度和自然界實(shí)現(xiàn)的功能仍然超出了我們的范圍：嘗試構(gòu)建一個(gè)可以感知各種信號(hào)的智能電子設(shè)備，充當(dāng)反饋控制器，按需修復(fù)自身，同時(shí)通過(guò)環(huán)保燃料提供不間斷的電力供應(yīng)“。

Lele認(rèn)為他在化學(xué)工程，軟物質(zhì)和生物物理學(xué)方面的跨學(xué)科培訓(xùn)能夠做到這一點(diǎn)。

“無(wú)論你是工程師，物理學(xué)家還是生物學(xué)家，分子尺度的運(yùn)動(dòng)都是非常吸引人的，”Lele說(shuō)。“一旦你目睹了它，你想要解釋它。我們希望更進(jìn)一步，利用我們的理解來(lái)開(kāi)發(fā)有希望讓生活更輕松的技術(shù)。”