Ученые из Университета Карнеги – Меллона, Питтсбургского университета и Института биологических исследований имени Дж. Солка создали «полосу препятствий» для изучения движения бактерий в естественной среде, когда те стремятся к источнику пищи или удаляются от опасности. Полученные в ходе экспериментов результаты будут не только интересны для биологии и медицины, но и могут пригодиться при разработке систем передвижения минироботов для поисково-спасательных операций.
Профессор кафедры вычислительной биологии и машинного обучения Университета Карнеги –Меллона Зив Бар-Джозеф (Ziv Bar-Joseph) говорит, что ранее передвижение бактерий исследовалось в чистой культуральной среде. Так, например, проводились многочисленные эксперименты по изучению хемотаксиса – движения бактерий в ответ на химические стимулы, когда бактерия находит питательные вещества или избегает токсинов. В первом случае бактерия движется в направлении, где концентрация растворенного вещества возрастет, во втором – туда, где она уменьшается. В реальности же бактерии существуют в весьма сложной среде, где помимо объектов, притягивающих или отталкивающих их, есть также немало препятствий, которые бактерия должна миновать в своем движении к цели.
Исследователи разработали микрофлюидные камеры – высотой всего 10 микрометров, шириной один миллиметр и длиной один миллиметр – и разместили в них равномерно распределенные квадратные и круглые препятствия, а также пищевую приманку. В эксперименте использовались кишечные палочки (Escherichia coli). Авторы работы говорят, что были удивлены тем, насколько эффективно эти бактерии могут двигаться, минуя препятствия. «Они добрались до еды почти так же быстро, как и без препятствий, – говорит ведущий автор исследования Сабрина Рашид. – Препятствия не влияли на время, необходимое для достижения еды, как ожидалось согласно предыдущим моделям».
Ученые предполагают, что одним из способов, позволяющих кишечным палочкам успешно огибать препятствия, служит химическая коммуникация между бактериями. Давно установлено, что они способны передавать информацию друг другу, выделяя в среду различные вещества. Также авторы исследования заметили изменение в поведении бактерий. Обычно бактерия использует два режима работы жгутиков. Один обеспечивает ее продвижение вперед, а другой – так называемый «танец» (в англоязычной литературе tumbling – «кувыркание») – позволяет ей случайным образом менять ориентацию в пространстве и направление движения. В нормальных условиях движение вперед и «танец» чередуются. Для режима «полосы препятствий» исследователи предположили, что бактерии должны больше двигаться прямолинейно и меньше «танцевать», пока они не окажутся на чистом месте. Наблюдения за поведением отдельных бактерий в экспериментальных камерах подтвердили это предположение.
Новая уточненная модель хемотаксиса может быть важна, например, для понимания, как опухолевые клетки распространяются по организму, образуя метастазы, или как происходит распространение инфекционных агентов. Применение этой модели для моделирования перемещений групп роботов, которые должны искать потерпевших в чрезвычайных ситуациях, показало, что такой сходный подход может сократить время поиска.
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
