Наука 19 января 2021

Математическая модель показала, как опасные бактерии образуют колонии

Новая математическая модель показала, как бактерии Neisseria gonorrhoeae, вызывающие гонорею, образуют колонии. Исследование публикует журнал Physical Review Letters.

Читайте «Хайтек» в

Каждый раз, принимая душ, можно видеть, как маленькие капельки воды соединяются, образуя более крупные капли. До тех пор, пока они не станут настолько тяжелыми, чтобы стекать по стене. Это повседневное явление называется коалесценцией и оно дало ученым ключ к пониманию того, как бактерии образуют колонии.

Исследователям из Университета Эрлангена — Нюрнберга (Friedrich-Alexander University of Erlangen-Nuremberg, FAU), Центра физики и медицины Макса Планка (Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin, MPZPM) и Института физики сложных систем им. Макса Планка в Дрездене (Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, MPI-PKS) удалось разработать статистическую модель для описания образования, динамики и механики таких клеточных колоний.

Когда бактерии завоевывают новые территории, одна из их первых задач — объединяться и образовывать микроскопические колонии. Внутри этих сообществ микроорганизмы лучше защищены от воздействия внешних сил, антибиотиков и других негативных воздействий, чем по отдельности. Следовательно, в таком виде они более опасны для людей и других организмов. Это относится и к гонококкам (Neisseria gonorrhoeae), которые в течение нескольких часов образуют скопления сферических клеток на коже человека (слизи), состоящие из нескольких тысяч одноклеточных организмов.

Как и многие другие бактерии, у Neisseria gonorrhoeae есть длинные подвижные нитевидные отростки — пили. Они используют их, чтобы прикрепляться к поверхностям и перемещаться. Он помогают бактериям взаимодействовать друг с другом и соединяться вместе, образуя колонии. Под микроскопом этот процесс напоминает слияние капель воды.

В совместном проекте под руководством постдока Хуэй-Шун Куаня (FAU) Вольфрам Пениш (постдок Кембриджского университета), профессор Франк Юлихер (MPI-PKS) и профессор Василий Забурдаев, заведующий кафедрой математики естественных наук FAU разработали теорию для описания этих процессов с использованием методов статистической физики. В качестве отправной точки своей модели они используют силы, действующие между бактериями через пили. Таким образом им удалось математически реконструировать развитие колоний. Процесс аналогичен конденсации жидкости или разделению двух фаз, таких как вода и масло. Когда количество бактерий на единицу площади превышает определенный предел, они спонтанно объединяются и образуют плотную каплю, окруженную всего несколькими отдельными клетками.

Эти клеточные капли вязкоупругие: они упруго реагируют на быструю деформацию и перемещаются как вязкая жидкость длительный период времени. Соответствующее поведение, которое они демонстрируют, зависит от того, успеет ли сеть переплетенных пилей перестроиться. Модель исследователей показывает центральную роль этих нитевидных выступов в формировании колоний и то, как они определяют их механические свойства.

Полученные результаты можно обобщить, а также использовать для описания механики и динамики плотных скоплений клеток, таких как солидные опухоли или ткани. Таким образом, теория может помочь врачам определить потенциальные цели для замедления или даже остановки образования бактериальных колоний или опухолей с помощью новых активных веществ.