Бактерии заставляют по-новому взглянуть на динамику коллективного поведения

Исследование под руководством учёных из Принстона показало, как бактерии преодолевают препятствия, сохраняя сплочённое групповое движение. Это открытие важно для понимания общих процессов коллективной миграции — от реакции раковых клеток на химический стимул до перемещения антилоп гну по саванне.

Ведущий исследователь Сужит Датта заметил, что мигрирующие популяции бактерий стремятся сохранять чёткие формации даже при столкновении с препятствиями. Чтобы выяснить причину, его команда создала условия, которые могли бы вызвать раскол групп бактерий на «победителей» и «проигравших».

Экспериментальную установку Датта сравнил с забегом по извилистой стартовой линии, где некоторые особи оказываются впереди, получая преимущество. При наличии впереди богатого источника питательных веществ бактериальные клетки были мотивированы быстро двигаться вперёд, чтобы поглотить как можно больше пищи.

«К нашему удивлению, мы обнаружили, что клетки, стартовавшие впереди, двигались медленнее, а клетки, стартовавшие сзади, — быстрее, так что задние всегда могли догнать передних», — сказал Датта, доцент химической и биологической инженерии. — «В итоге те извилины, которые мы изначально задали форме популяции, сгладились по мере того, как клетки продолжали двигаться вместе».

Это исследование, опубликованное 8 марта в журнале eLife, показывает, как индивидуальная саморегуляция приводит к глубокому, эмерджентному коллективному феномену, противоречащему обычным предположениям о стратегиях индивидуального выживания.

Оно основано на более ранней работе лаборатории Датты, которая установила, как бактерии распространяются подобно волне, движущейся наружу, в поисках и потреблении питательных веществ, перемещаясь вместе как группа, несмотря на множество препятствий на пути волны. Но если предыдущее исследование было сосредоточено на базовом влиянии препятствий на движение группы, то новая работа фокусируется на том, как популяции остаются вместе даже при столкновении со значительными нарушениями целостности группы.

«Забег» популяции Escherichia coli проходил в гидрогелевой матрице, похожей на полосу препятствий для бактерий. Исследователи 3D-печатали клетки в определённых конфигурациях, а затем использовали конфокальный микроскоп для отслеживания движения генетически модифицированных светящихся клеток, поедающих матрицу.

«Используя этот микроскоп, вы получаете очень точное, точечное измерение света в трёх измерениях», — сказал Дэниел Амчин, аспирант по химической и биологической инженерии и один из авторов статьи.

На основе длинной последовательности высокотехнологичных снимков команда получила детальную картину того, как клетки движутся — индивидуально и как группа — с течением времени.

Изначально они предположили, что наблюдаемое сглаживание — результат простого случайного движения клеток. «Но когда вы делаете расчёты, — сказал Амчин, — случайная составляющая их движения не могла привести к такому быстрому сглаживанию извилин, которое мы наблюдали».

Тогда команда разработала альтернативное объяснение, подтверждённое экспериментами, симуляциями и математической теорией.

Ведущие клетки имели доступ к большему количеству пищи, так как находились на переднем крае, ближе всего к следующему «вкусному кусочку». У последователей пищи было соответственно меньше, в зависимости от их стартовой позиции. К удивлению исследователей, реакция отдельной клетки на градиент питательных веществ становилась менее эффективной по мере её насыщения. Ведущие клетки, всё больше насыщаясь, замедлялись. Последователи сохраняли темп, а значит, получали больше пищи, чем можно было бы ожидать от их стартовых позиций без этого эмерджентного распределительного феномена. В результате мигрирующая популяция оставалась вместе, несмотря на препятствия и стимулы, которые могли бы её расколоть.

«В этом и заключается красота, — сказал Датта. — Поведение этих индивидуумов настроено, возможно, миллионами лет эволюции, чтобы способствовать коллективным результатам, даже если особи не имеют представления о других клетках».

Анализ группы Датты, готовящийся к публикации в Physical Review Letters, дополнительно поддерживает эту идею, устанавливая количественные прогнозы условий, при которых популяции должны оставаться вместе, — и показывая, что естественные популяции, как правило, удовлетворяют этим условиям.

Эти идеи предоставляют детальную и строгую основу для общего понимания коллективной миграции, выходящей за рамки бактерий, — например, того, как стадные, стайные и косяковые организмы, и даже микроскопические плавающие роботы, координируют свои действия в больших группах.

«Мы считаем, что это более общий принцип, описывающий, как популяции многих различных движущихся сущностей могут путешествовать вместе как группа, поскольку способность других клеток или агентов ощущать и реагировать на различные стимулы во многих случаях изначально ограничена», — сказал Датта. — «Поэтому мы надеемся, что наша работа побудит других изучать этот эффект в других контекстах».