Правила движения: навигационные «стратегии» бактерий

Успех подвижных бактерий в поиске питательных веществ, защите от хищников и размножении зависит от того, насколько эффективно они перемещаются в своих ограниченных микроскопических средах обитания. В статье, опубликованной в PNAS, группа исследователей из Университета Макгилла описала факторы, влияющие на то, как пять разных видов бактерий исследуют и перемещаются в различных микрофлюидных средах. Это понимание важно для диагностики инфекционных заболеваний, поддержания здоровья человека, разработки устройств для геномики и биовычислений, а также для сельского хозяйства, промышленности и экологии.

Исследователи снимали на видео движение пяти видов бактерий в различных микрофлюидных условиях — от открытых пространств до сложных извилистых каналов. Это позволило лучше понять факторы, участвующие в навигационных «стратегиях» бактерий при поиске доступного пространства.

Вопросы и ответы с профессором Дэном Николоу

Вопрос: Какие «стратегии» используют бактерии для навигации в пространстве?

Ответ: Наблюдая за движением бактерий через микрофлюидные каналы разной формы и размера, мы обнаружили, что бактерии используют совершенно другие «алгоритмы» поиска в пространстве, чем мы ожидали. Эти алгоритмы определяются не сложностью строения бактерий, а пространством, которое они исследуют. Многое зависит от формы и размера канала. Как правило, бактерии не тратят время на развороты на 180°, если только их не вынуждает к этому узость каналов.

Хотя естественные «технологии движения» у разных видов бактерий сильно различаются, их стратегии поиска пространства определяются их геометрическими соотношениями, например, шириной клетки и длиной жгутиков.

Несмотря на различия, все изученные виды успешно преодолевали узкие (относительно их размеров) пути и, конечно, более широкие. Но в каналах среднего размера с извилистой структурой бактерии не могут полагаться на ограничивающие стенки для навигации, но и не могут двигаться полностью свободно. В результате они «запутываются» в выборе метода поиска и оказываются в ловушке, независимо от заложенных в них алгоритмов.

Вопрос: Как можно использовать эту информацию?

Ответ: В контексте болезней человека, животных или растений эта информация поможет лучше понять, как бактерии колонизируют ограниченные пространства. Это важно, например, для понимания, почему определенные виды животных могут быть более уязвимы к инфекциям из-за специфических стратегий навигации и исследования пространства у некоторых бактерий.

Для бактериальной геномики, важной для понимания, лечения и предотвращения распространения инфекционных заболеваний, понимание «алгоритмов», используемых разными видами бактерий, упростит проектирование геометрий, которые будут улавливать только один конкретный вид из образцов воды, жидкостей организма и т.д., содержащих целый спектр бактериальных популяций.

Для биовычислений — создания компьютеров на основе бактерий — критически важно знать, какие алгоритмы бактерии используют для движения, чтобы создавать компьютеры, не допускающие ошибок.