Коллективное движение бактерий нарушает их хемотаксис
Исследователи из Института микробиологии Макса Планка в Марбурге изучили, как коллективное поведение влияет на способность бактерий ориентироваться в среде.
От индивидуального плавания к коллективному движению
Отдельные клетки бактерий E. coli плавают почти прямолинейно в течение секунды, прерываясь короткими переориентациями (кувырками). Используя хемотаксис, они измеряют изменения концентрации питательных веществ и корректируют движение, удлиняя пробеги в благоприятном направлении. Эта система использует химически закодированную память для сравнения текущих условий с теми, что были несколько секунд назад.
При высокой плотности клеток возникают принципиально иные динамические паттерны: струи и водовороты бактериальных клеток.
Эксперимент в контролируемом градиенте
Ученые измерили коллективную динамику и хемотаксический ответ популяций E. coli различной плотности. Они использовали микрофлюидные устройства для создания контролируемых градиентов химического аттрактанта и новые методы анализа изображений.
Результаты: коллективные переориентации ухудшают навигацию
Эксперименты показали, что после достижения максимума при средней плотности хемотаксис резко снижается с развитием коллективного движения. Коллективные переориентации мешают механизму химического восприятия.
«Если за время, пока клетка плывет и принимает решение о кувырке, направление ее движения значительно изменилось, это решение становится менее релевантным», — объясняет руководитель проекта Реми Колин.
Сравнение с численным моделированием показало, что ключевую роль в возникновении коллективного движения играют не прямые контакты между бактериями, а гидродинамические взаимодействия из-за перемещения окружающей жидкости.
Последствия для природных популяций
- Регуляция накопления у источника пищи: постепенно растущая плотность клеток сначала способствует, а затем ограничивает хемотаксическое скопление. Это ограничивает число клеток, способных достичь ресурса.
- Проблема для роения (swarming): подавление хемотаксиса наблюдается при плотностях, типичных для роения — способа быстрого распространения по поверхностям (например, при инфекции). Это означает, что навигация внутри роя почти невозможна без специальных компенсирующих механизмов, которые еще предстоит открыть.