Исследователи разработали компьютерную модель взаимодействий бактериальных колоний

Одно из замечательных свойств бактериальных колоний — самоупорядочивающаяся агрегация и ориентация бактериальных клеток. Бактерии выделяют внеклеточные полимерные вещества (EPS), которые образуют биоплёнкоподобные структуры, где клетки агрегируют. Из-за плотности таких систем исследователи предполагали, что высокая степень упорядоченности колоний обусловлена специфическими механическими взаимодействиями между клетками и матрицей биоплёнки.

Группа исследователей из Университета Райса, Колумбийского университета и Тель-Авивского университета разработала компьютерную модель взаимодействий бактериальных клеток с EPS, которая позволила им изменять переменные и изучать влияние на агрегацию и ориентацию клеток. Их исследование, опубликованное в The Proceedings of the National Academy of Sciences, подтверждает влияние механических эффектов на неоднородность распределения клеток в колониях.

Модель Sim MicroCity

При низкой плотности клетки общаются в основном химическим путём. Однако при более высоких плотностях прямое механическое взаимодействие между клетками становится определяющим фактором самоорганизации. Исследователи построили простую модель, изучающую взаимодействия неподвижных палочковидных бактериальных клеток в самообразуемом EPS, чтобы определить, как неравновесная бактериальная колония подвергается спонтанной агрегации.

Эта модель на основе частиц ограничена двумя измерениями, что исключает перекрытие бактериальных клеток, происходящее в реальности. Окружающий полимерный EPS аппроксимируется мелкими сферическими частицами, а бактерии моделируются как более крупные растущие сфероцилиндры постоянного диаметра. Эта упрощённая компьютерная модель описывает характеристики агрегации бактерий через их координаты x-y и единичные векторы, представляющие ориентацию их осей симметрии.

Механические взаимодействия, управляемые силами отталкивания

В исследовании EPS рассматриваются как истощающие частицы. Установка высоких сил истощения в среде приводит к высоким силам отталкивания между клетками и EPS. Это взаимодействие реализовано в модели путём разрешения отталкивания так, что центры частиц EPS не могут попасть в зону исключённого объёма, окружающую бактерии. Происхождение силы истощения — это выигрыш энтропии, который происходит, когда бактериальные клетки сближаются, тем самым уменьшая исключённый объём для EPS.

Среди своих выводов исследователи отметили, что увеличение силы отталкивания клетка-EPS привело к значительной агрегации клеток и высокой степени самоорганизации внутри колонии. Чтобы подтвердить этот эффект упругой силы отталкивания между клетками, исследователи увеличили скорость секреции EPS клетками, сохраняя силы отталкивания прежними. Результатом стала колония почти гетерогенно распределённых бактериальных клеток в среде частиц EPS и очень слабая сегрегация. Они пишут: «Таким образом, очевидно, что для управления системой, ведущей к агрегации бактериальных клеток за счёт притяжения истощения, необходимы сильные механические взаимодействия отталкивания, даже если в среде присутствует избыток истощающих агентов (частиц EPS)».

Для будущих исследований учёные предполагают, что их модель можно будет легко применить к ряду трёхмерных сценариев, встречающихся в реальной жизни. Добавление третьего измерения позволило бы им учесть эффекты переходов к изгибу, которые заставляют клетки в плотных колониях двигаться вверх. Текущая модель также не учитывала эффекты гибели клеток в системе. Самодвижущиеся подвижные бактерии можно было бы смоделировать с параметрами, аналогичными текущему исследованию. А динамику клеток и внеклеточного матрикса также можно было бы смоделировать в условиях животной ткани.