Membrane-targeting azobenzene allows photomodulation of bacterial motility

Bacterial motility is a fundamental process which allows them to navigate through their surroundings, react to stimuli, and adapt to changing environments. In this study, we have investigated the effect of membrane-targeting azobenzene (Ziapin2) on the motility behavior of Bacillus subtilis using blue light simulation, with a particular focus on membrane potential modulation. In addition, the effects of chemical modulators of membrane potential, carbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazone (CCCP) and valinomycin, were tested in order to establish a baseline for how hyperpolarization and depolarization influence bacterial motion. For this purpose, B. subtilis cells were subjected to different conditions: CCCP (a proton motive force and membrane depolarization inhibitor), valinomycin (a potassium ionophore that leads to hyperpolarization), and Ziapin2 (a light-sensitive molecule inducing conformational changes that influence the characteristics of the membrane). Motility of the bacteria was monitored with TrackMate in ImageJ, and quantitative measures of motility such as mean squared displacement (MSD), Directional Change Rate (DCR) and speed were calculated using MATLAB. The results indicated CCCP-induced depolarization had robust inhibitory impact on motility and led to bacterial paralysis. Whereas Valinomycin-induced hyperpolarization caused high MSD, which indicates enhanced smooth swimming. While blue light stimulation alone produced a modest decrease in MSD via activation of the σ^B^ dependent general stress response by the YtvA photoreceptor, the presence of Ziapin2 under light further reduced MSD. It is suggested thus that Ziapin2 functions to regulate B. subtilis motility by mechanisms other than simple hyperpolarization. The further decrease in motility may be the result of membrane stretching or activation of uncharacterized ion channels. These findings demonstrate that Ziapin2 photomodulation is capable of dynamically modulating bacterial motility and can serve as an external light stimulus-controllable bacterial motion controlling instrument. This study provides new insights into membrane potential, ion flux, and membrane mechanics in bacterial motility with implications in bacterial behavior control, photoresponsive control systems, and microbiological studies.

La motilità batterica è un processo fondamentale che consente ai batteri di navigare attraverso il loro ambiente, reagire agli stimoli e adattarsi ai cambiamenti. In questo studio, abbiamo investigato l'effetto dell'azobenzene che mira alla membrana (Ziapin2) sul comportamento di motilità di Bacillus subtilis utilizzando la simulazione della luce blu, con particolare attenzione alla modulazione del potenziale di membrana. Inoltre, sono stati testati gli effetti dei modulatori chimici del potenziale di membrana, carbonil cianuro m-clorofenilidrazone (CCCP) e valinomicina, per stabilire una base su come l'iperpolarizzazione e la depolarizzazione influenzano il movimento batterico. A tal fine, le cellule di B. subtilis sono state sottoposte a diverse condizioni: CCCP (un inibitore della forza motrice protonica e della depolarizzazione della membrana), valinomicina (un ionoforo di potassio che porta all'iperpolarizzazione) e Ziapin2 (una molecola sensibile alla luce che induce cambiamenti conformazionali che influenzano le caratteristiche della membrana). La motilità dei batteri è stata monitorata con TrackMate in ImageJ e misure quantitative della motilità come lo spostamento quadratico medio (MSD), il tasso di cambiamento direzionale (DCR) e la velocità sono state calcolate utilizzando MATLAB. I risultati hanno indicato che la depolarizzazione indotta da CCCP ha avuto un impatto inibitorio robusto sulla motilità e ha portato alla paralisi batterica. Mentre l'iperpolarizzazione indotta dalla valinomicina ha causato un alto MSD, che indica un nuoto fluido migliorato. Mentre la stimolazione della luce blu da sola ha prodotto una modesta diminuzione del MSD tramite l'attivazione della risposta generale allo stress dipendente da σ^B^- dal fotorecettore YtvA, la presenza di Ziapin2 sotto luce ha ulteriormente ridotto il MSD. Si suggerisce quindi che Ziapin2 funzioni per regolare la motilità di B. subtilis tramite meccanismi diversi dalla semplice iperpolarizzazione. L'ulteriore diminuzione della motilità potrebbe essere il risultato dell'allungamento della membrana o dell'attivazione di canali ionici non caratterizzati. Questi risultati dimostrano che la fotomodulazione di Ziapin2 è in grado di modulare dinamicamente la motilità batterica e può servire come strumento di controllo del movimento batterico controllabile da stimoli esterni di luce. Questo studio fornisce nuove intuizioni sul potenziale di membrana, il flusso ionico e la meccanica della membrana nella motilità batterica con implicazioni nel controllo del comportamento batterico, nei sistemi di controllo fotoresponsivi e negli studi microbiologici.