Это не совсем декорации из телесериала «Американский воин-ниндзя», но крошечная полоса препятствий для бактерий показала исследователям, как E. coli меняет свое поведение, чтобы быстро преодолевать препятствия на пути к еде. Их работа имеет значение не только для биологии и медицины, но и для роботизированной поисково-спасательной тактики.
Ученые из Университета Карнеги-Меллона, Университета Питтсбурга и Института биологических исследований Солка сообщили сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences, что хорошо известное поведение «плавать и кувыркаться», которое бактерии используют для движения к пища или вдали от ядов меняется, когда бактерии сталкиваются с препятствиями.
«В реальном мире они всегда сталкиваются с множеством препятствий», - сказал Зив Бар-Джозеф, профессор факультетов вычислительной биологии и машинного обучения CMU. E. coli, например, населяет сложный ландшафт желудочно-кишечного тракта. Тем не менее, предыдущие исследования хемотаксиса - того, как бактерии движутся к более высокой концентрации пищи или от концентрации ядов, - в основном проводились в камерах без препятствий.
Существующие модели хемотаксиса предсказывают, что препятствия замедлят развитие бактерий. Поэтому исследователи разработали микрожидкостные камеры - всего 10 микрометров в высоту, один миллиметр в ширину и один миллиметр в длину - и разместили в них равномерно распределенные квадратные и круглые препятствия. Когда они протестировали кишечную палочку внутри этих крошечных полос препятствий, они были удивлены скоростью, с которой бактерии находили источник пищи.
«Почти несмотря на препятствия, они добрались до еды почти так же быстро, как и без препятствий», - сказала Сабрина Рашид, доктор философии CMU. D. студент факультета вычислительной биологии и ведущий автор исследования. «Препятствия не влияли на время, необходимое им, чтобы добраться до еды, как предсказывали предыдущие модели».
Бактерии, как известно, общаются друг с другом, выделяя химические вещества, и такого рода общение, несомненно, информирует бактерии, когда они пытаются обойти препятствие, сказала она. Но более пристальный взгляд на бактерии также показал изменение в поведении.
Обычно бактерии немного плавают, а затем совершают круговой танец, называемый кувырканием, чтобы переориентироваться относительно концентрации пищи. Кувыркание замедляет продвижение к еде, но, что важно, позволяет бактериям корректировать курс.
Исследователи подозревают, что ключевой причиной повышения скорости при столкновении с препятствиями является способность бактерий меньше кувыркаться и больше плавать, пока они не окажутся в чистоте. Поэтому они разработали дополнительные эксперименты, которые отслеживали отдельные клетки бактерий и подтвердили эти предсказания.
Учитывая важность движения клеток в биологии, новые результаты могут иметь значение для того, как злокачественные клетки распространяются по организму или как можно лечить инфекции, сказал Бар-Джозеф.
Основываясь на этих выводах, исследователи разработали собственную модель хемотаксиса, чтобы объяснить это новое поведение и лучше предсказывать поведение бактерий. Применение модели к моделированию групп или роев роботов, занимающихся поиском застрявших жертв в чрезвычайных ситуациях, показало, что этот подход также может сократить время их поиска.
«Для нас важны любые идеи, которые мы можем получить из биологии для улучшения вычислений», - добавил Бар-Джозеф.
Кроме Бар-Джозефа и Рашида, в исследовательскую группу CMU входил Шашанк Сингх, доктор философии. студент в области машинного обучения и статистики. В Питте к Ханне Салман, адъюнкт-профессору физики и астрономии, и Золтану Олтваи, адъюнкт-профессору патологии, присоединились Зычэн Лонг, научный сотрудник лаборатории Салмана, а также Мариам Корам и Харш Вашиштха, обе кандидаты наук. Д. студентов по физике. Сакет Навлаха, доцент Института Солка, завершает команду.
Национальный научный фонд поддержал это исследование.