Kan man mase en mikrobe ved at træde på den?

.

Når vi træder på visse ting, for eksempel en banan, bliver den mast helt flad mod jorden. Men når vi træder på andre ting, som eksempelvis sten, bevarer de deres form, og dét, at vi træder på den, har ingen effekt.

Men hvad sker der, når vi træder på bakterier? Bliver de mast?

Selvom vi begge arbejder med mikroorganismer og andre celler i forbindelse med vores arbejde som bio- og kemiingeniører, har ingen af os forsøgt at mase mikrober eller bakterier i et laboratorie.

Én af os har en baggrund i fysik og studerer mekaniske kræfter i biologi, mens den anden gensplejser mikroorganismer og dyrker dem til at fremstille biobrændstoffer og andre kemikalier.

Så vi mente, at vi med vores fælles ekspertise kunne finde frem til svaret på spørgsmålet.

Kræfter og tryk

Hvad sker der egentlig, når vi træder på noget?

Hver gang vi skubber eller trækker i en genstand, har det en effekt. Hvad der sker, afhænger af, hvor meget kraft vi udøver og objektets beskaffenhed. Trykket kommer hovedsageligt fra vægten af vores krop.

Det område, hvor trykket bliver fordelt på foden, er også vigtigt, for det afgør, hvor stor belastningen er - det er derfor, vi kan gå ovenpå sneen med snesko, men synke ned med almindelige sko.

Vi kan beregne trykket ved at dividere vægten af en genstand med dens areal.

Hvis foden cirka er et rektangel med en længde på cirka 18 centimeter og en bredde på 10 centimeter, har den et overfladeareal på 180 cm².

Så hvis en person vejer 50 kilo, er trykket per cm² cirka 0,2 kilo.

Til sammenligning er lufttrykket, eller det atmosfærisk tryk, på vores krop ved havoverfladen 1,033 kilo per cm².

Atmosfæren udøver altså betydeligt større tryk på os, end et fodtrin gør på jorden - vi mærker det bare ikke, fordi det er afvejes af det indre tryk fra luften inde i vores krop.

Træder på en mikrobe

Men hvad sker der så med en bakteriecelle, når vægten og trykket fra foden lander på den?

Bakterier har forskellig facon, fra kuglerunde til stænger og spiraler. Bakteriecellerne har membraner, der fungerer som vægge, der beskytter cellens geléagtige indhold mod miljøet.

Så hvor stærk er bakteriernes cellevægge, og kan de modstå trykket fra et fodtrin?

Forskere har studeret styrken af de bakterielle cellevægge af flere årsager, blandt andet for at finde ud af, hvor højt et tryk der skal til for at dræbe bakterier. I fødevareindustrien bruger man eksempelvis højtryk for at gøre fødevarer som mælk sikkert at indtage.

Forskerne benyttede en række forskellige værktøjer for at måle de bakterielle cellevægges ultimative trykstyrke. Det er den maksimale sammenpresning, et materiale kan modstå, før det går i stykker.

Det kan for eksempel gøres ved at lægge materialet i en forseglet beholder og hurtigt sænke trykket, indtil det eksploderer.

Et studie fra 1985 viser, at det ville tage næsten 105 kilo per cm² at få bakterien Salmonella til at eksplodere, og senere eksperimenter viser, at det ville tage omkring 133,5 kilo per cm², før den almindelige jordbakterie Bacillus subtilis ville give efter.

.

Det er et 400 til 500 gange større tryk, end en sko udøver på fortovet og eventuelle mikrober, der ligger omkring.

For at forstå disse tal, kan vi forestille os en bakterie, der er stor nok til, at en person kan stå oven på den. Hvis den har samme cellevægsstyrke som Salmonella, kan den modstå over 350 personer på 50 kilo hver, der stod på den på samme tid.

Så selvom et højt tryk kan dræbe bakterier i visse tilfælde som eksempelvis fødevareforarbejdning, vil det ikke fungere med en person, der står på dem.

'Gemmer sig' i sprækkerne

Så nu står det klart, at de bakterielle cellevægge er meget stærke. Men der er en ekstra komplikation, der gør det endnu sværere at knuse bakterier: De er utroligt små.

Den gennemsnitlige bakterie er kun omkring 1 til 5 mikrometer stor (1 mikrometer er en milliontedel af en meter 1.000 mikrometer = 1 millimeter). Til sammenligning er spidsen af en almidelig knappenål omkring 130 mikrometer i diameter.

Overfladen af vores hud har fine riller kaldet sulci cutis, der i gennemsnit er flere mikroner dybe (en mikron eller en my svarer til en miliontedel meter). Sålerne på vores sko har også riller, der er meget dybere end dem i huden.

Så uanset om vi træder på bakterier med bare fødder eller med sko på, vil de fleste af cellerne kunne 'gemme sig' i én af disse riller og undslippe det fulde tryk mod jorden.

Som at stå på spidsen af en nål

Det næste spørgsmål er så, om der findes en måde, vi kan øge trykket fra fødderne på en bakteriecelle for at mase den.

I teorien kunne man ændre undersiden af skoene fra flade til meget spidse, hvor bunden af spidsen har en diameter, der er lige så bred som spidsen af en stift.

Selvom det ville være umuligt at gå i disse sko, ville en person på 50 kilo producere et tryk på 393.718,5 kilo per cm². Det er nok til at mase alle kendte bakterier.

Men selvom vi ikke er i stand til det, så viser det sig, at visse insekter kan.

Vingerne på cikader har bittesmå molekylære strukturer, der ligner nåle eller pigge, som kun er et par nanometer store. Piggene (eller nålene), som kaldes nanorods, er flere tusind gange mindre end de fleste bakterier.

Når en bakterie lander på overfladen af cikadens vinge, producerer den særlige kemikalier, der får bakterien til at klæbe til overfladen.

Når bakterierne deler sig, og de nye celler skiller sig fra hinanden, bliver de langsomt revet fra hinanden, fordi cellemembranen sænker sig ned til vingeoverfladen mellem piggene. Trykket mod piggene på cikadernes vinger punkterer bakterierne og dræber dem.

Cikader, guldsmede og en lang række andre flyvende insekter har tilsvarende vingeoverflader, der er naturligt bakteriedræbende. Herfra kan bioingeniørerne hente inspiration i forsøget på at lave overflader med nåle- eller piggelignende strukturer, der kan dræbe bakterier på en tilsvarende måde.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.