Учёные нашли оптимальную стратегию движения бактерий в лабиринтообразных средах
При распространении в почве, тканях и других средах, заполненных препятствиями, движение по прямой приводит бактерии в тупик. Вместо этого они перемещаются по открытым пространствам, пока не застревают, затем переориентируются и «перепрыгивают» в следующую полость. Новая модель, разработанная исследователями из Принстона, объясняет, почему эта стратегия «прыжков и застреваний» эффективна для бактерий и как её можно оптимизировать для самоходных полимеров.
Модель может быть применена для создания будущих микророботов, эффективно распространяющихся в сложных трёхмерных средах, например, крошечных синтетических носителей для доставки химиотерапевтических препаратов через опухолевую ткань.
Исследование, опубликованное 6 декабря в журнале Nature Communications, вдохновлено экспериментальной работой соавторов, которые впервые описали стратегию E. coli в пористых средах.
Для моделирования случайного движения бактерии в сложной 3D-среде (в масштабе молекул) использовали симуляцию броуновской динамики, разработанную физиками-полимерщиками. Она учитывает случайное движение частиц в жидкости и использует самоходный полимер в качестве модели бактерии.
С помощью статистического анализа были выявлены паттерны в траекториях полимеров. Некоторые из них почти точно повторяли стратегию «прыжков и застреваний» E. coli.
Исследователи также разработали упрощённую модель этого процесса, которая позволила определить наиболее эффективный способ распространения бактерий. Было обнаружено общее правило: бактерия движется наиболее эффективно, когда длина её «пробега» близка к длине самых длинных пор в среде до переориентации. Слишком частая или слишком редкая смена направления просто замедляет движение. Детали пористой среды, такие как вогнутость поверхностей, имеют меньшее значение.
«Когда длина пробега очень мала, бактерии не уходят далеко, потому что они просто случайно движутся вперёд и назад и постоянно "спотыкаются". Когда эта длина очень велика, мы обнаружили, что клетки застревают в своей среде, потому что никогда не переориентируются», — пояснила первый автор Кристина Курцталер.
Эти выводы объясняют несколько контринтуитивное наблюдение, сделанное в конце 1980-х годов. Микробиолог Говард Берг и его коллеги сообщили, что бактериальные колонии быстрее всего распространялись по пористой агаровой пластине не при постоянном плавании, а при умеренном количестве «кувырканий» (tumbling).
«Около 30 лет было загадкой, почему определённые скорости вращения бактерий приводят к определённому распространению... Это использование моделирования в сочетании с современными экспериментами пролило новый свет на старую проблему и связало её с геометрией пористой среды», — сказал старший автор Говард Стоун.
Новая модель также предоставляет критерий для разработки полимеров, способных переносить лекарства через организм или находить и разлагать загрязняющие вещества в почве.
«Если вы хотите спроектировать микроробота, для него будет действительно важно переориентироваться, чтобы исследовать сложное окружение, в котором ему предстоит работать», — отметила Курцталер.
Эксперты, не участвовавшие в исследовании, считают этот подход новаторским. Джорджо Вольпе из Университетского колледжа Лондона отметил, что было бы интересно перейти от изучения отдельных бактерий к коллективному поведению группы, что может раскрыть механизмы формирования и распространения биоплёнок в пористых материалах. Это особенно актуально для понимания и предотвращения образования биоплёнок в критически важных местах, например, в больничных водофильтрах.