Аналитическая модель предсказывает, как бактерии преодолевают препятствия для распространения
Новое исследование представляет вычислительный метод для прогнозирования того, как бактерии перемещаются в средах, заполненных препятствиями. Эта модель, опубликованная 21 марта в Proceedings of the National Academy of Sciences, впервые теоретически предсказывает движение бактерий в сложных условиях.
«Существует большой интерес к тому, как распространяются бактерии, поскольку они могут играть роль во всем: от инфекций и сельского хозяйства до проектирования лучших средств доставки лекарств и очистки окружающей среды», — говорит Генри Маттингли из Центра вычислительной биологии (CCB) Института Флэтайрон, автор работы.
Модель фокусируется на бактериях, которые плавают в жидкой среде, движимые пропеллерообразными жгутиками и случайным образом меняющие направление. Ключевым фактором их перемещения является частота изменения направления.
В среде с препятствиями бактерии могут замедляться или застревать. При столкновении с препятствием бактерия может:
- Скользить вдоль поверхности и продолжать движение.
- Застрять в углу и многократно переориентироваться, пока не найдет выход.
Маттингли свел модель к трем основным «поверхностным состояниям» бактерии:
- Свободное движение в среде.
- Встреча с препятствием и скольжение вдоль него.
- Застревание в углу.
Определив, как часто бактерия переходит между этими состояниями, и адаптировав математические методы, разработанные для диффузии пассивных веществ (например, красителей), он создал модель для прогнозирования бактериальной диффузии.
Тестирование модели на симуляциях плавающих бактерий с случайно расположенными препятствиями показало, что «она очень хорошо предсказывает диффузию».
Модель также объясняет, как бактерии оптимизируют свою диффузию:
- Бактерии, редко меняющие направление, чаще застревают в углах, что замедляет диффузию.
- Бактерии, часто меняющие направление, склонны «возвращаться по своим следам», что также замедляет диффузию.
Модель помогает предсказать «золотую середину» между этими крайностями, где бактерии максимизируют свою диффузию.
Это знание упростит проектирование лабораторных бактериальных микрочастиц для целевой доставки лекарств. «Если вы проектируете микропловца, вам нужно знать оптимальную скорость переориентации бактерий, чтобы они продолжали двигаться наружу, но также быстро выбирались из ловушек», — говорит Маттингли.
Следующим шагом автор планирует протестировать модель на реальных бактериях в экспериментах.