Нова математична модель показала, як бактерії Neisseria gonorrhoeae, що викликають гонорею, утворюють колонії. Дослідження публікує журнал Physical Review Letters.
Кожен раз, приймаючи душ, можна бачити, як маленькі крапельки води з’єднуються, утворюючи більші краплі. До тих пір, поки вони не стануть настільки важкими, щоб стікати по стіні. Це повсякденне явище називається коалесценцією і воно дало вченим ключ до розуміння того, як бактерії утворюють колонії.
Дослідникам з Університету Ерлангена – Нюрнберга (Friedrich-Alexander University of Erlangen-Nuremberg, FAU), Центру фізики і медицини Макса Планка (Max-Planck-Zentrum fur Physik und Medizin, MPZPM) та Інституту фізики складних систем ім. Макса Планка в Дрездені (Max-Planck-Institut fur Physik komplexer Systeme, MPI-PKS) вдалося розробити статистичну модель для опису утворення, динаміки та механіки таких клітинних колоній.
Коли бактерії завойовують нові території, одне з їхніх перших завдань – об’єднуватися й утворювати мікроскопічні колонії. Усередині цих спільнот мікроорганізми краще захищені від впливу зовнішніх сил, антибіотиків та інших негативних впливів, ніж окремо. Отже, в такому вигляді вони більш небезпечні для людей і інших організмів. Це відноситься і до гонококів (Neisseria gonorrhoeae), які протягом кількох годин утворюють скупчення сферичних клітин на шкірі людини (слизу), що складаються з декількох тисяч одноклітинних організмів.
Як і багато інших бактерії, у Neisseria gonorrhoeae є довгі рухливі ниткоподібні відростки – пили. Вони використовують їх, щоб прикріплятися до поверхонь і переміщатися. Вони допомагають бактеріям взаємодіяти один з одним і з’єднуватися разом, утворюючи колонії. Під мікроскопом цей процес нагадує злиття крапель води.
У спільному проєкті під керівництвом постдока Хуей-Шун Куаня (FAU), Вольфрам Пеніше (постдок Кембриджського університету), професор Франк Юліхер (MPI-PKS) і професор Василь Забурдаев, завідувач кафедри математики математично-природничої грамотності FAU розробили теорію для опису цих процесів з використанням методів статистичної фізики. У якості відправної точки своєї моделі вони використовують сили, що діють між бактеріями через пили. Таким чином їм вдалося математично реконструювати розвиток колоній. Процес аналогічний конденсації рідини або розділення двох фаз, таких як вода й олія. Коли кількість бактерій на одиницю площі перевищує певну межу, вони спонтанно об’єднуються та утворюють щільну краплю, оточену всього декількома окремими клітинами.
Ці клітинні краплі в’язкопружні: вони пружно реагують на швидку деформацію і переміщаються як в’язка рідина тривалий проміжок часу. Відповідна поведінка, яку вони демонструють, залежить від того, чи встигне мережа переплетених пилів перебудуватися. Модель дослідників показує центральну роль цих ниткоподібних виступів у формуванні колоній і те, як вони визначають їх механічні властивості.
Отримані результати можна узагальнити, а також використовувати для опису механіки й динаміки щільних скупчень клітин, таких як солідні пухлини або тканини. Таким чином, теорія може допомогти лікарям визначити потенційні цілі для уповільнення або навіть зупинки утворення бактеріальних колоній або пухлин за допомогою нових активних речовин.
Натхнення: hightech.fm