Исследователи использовали функцию рассеяния для анализа паттернов движения E. coli
Международная группа исследователей из Университета Инсбрука и других учреждений описала паттерны движения бактерии Escherichia coli. Для этого они использовали специально созданный штамм бактерий, эксперименты под микроскопом и сложные функции.
E. coli — один из самых известных модельных организмов в науке. Под микроскопом эти бактерии выглядят как движущиеся палочки.
Учёные культивировали новый штамм бактерий, чьим движением можно управлять, и сравнили экспериментальные данные с физической моделью, описывающей паттерны движения E. coli на длительных промежутках времени. Модель была подтверждена экспериментально.
Ключевой вклад учёного из Тироля Кристины Курцталер — сравнение экспериментов и теории с помощью промежуточной функции рассеяния. Работа началась в рамках её докторской диссертации в группе Томаса Франкоша в Институте теоретической физики Университета Инсбрука. Курцталер — один из первых авторов исследования, её работа опубликована как Editor's Pick в Physical Review Letters.
Плавание и кувыркание
В биофизике движение E. coli описывается моделью «бег-и-кувырок» (run-and-tumble). С помощью множества жгутиков бактерии плывут в определённом направлении, а затем движение переходит в «кувырок», и бактерии меняют направление. Это поведение было известно давно, но его не удавалось точно описать, так как сложно измерить, как долго бактерии плывут перед «кувырком».
«E. coli движутся в растворе очень быстро в трёхмерном пространстве. Это сложно измерить, требуется много данных. Отслеживание отдельных бактерий в течение долгого времени очень трудоёмко», — говорит Курцталер.
«Кувыркание» критически важно для бактерии: E. coli использует его для поиска пищи или избегания токсичных веществ.
Подтверждение с помощью функции рассеяния
Для точной характеристики процессов движения партнёрские группы в китайских научных учреждениях разработали инженерный штамм E. coli, у которого частоту «кувыркания» можно уменьшать или увеличивать, выращивая в определённых химических растворах.
Группа из Эдинбургского университета провела эксперименты на этих бактериях, делая микроскопические снимки всей популяции в разные моменты времени. Исследователи из Инсбрука проанализировали данные с помощью промежуточной функции рассеяния, разработанной Курцталер. Эта функция косвенно измеряет распределение бактерий в пространстве и времени и даёт информацию об их динамике.
Это позволило рассчитать множество данных за длительные периоды: скорость бактерий, продолжительность «кувыркания». Результатом стало детальное описание движения E. coli в трёхмерном пространстве.
«Сама модель «бег-и-кувырок» не нова, — говорит Франкош. — Новым является наш подход расчёта движения в пространстве с численными решениями на компьютере. Это уже обычная практика в других областях, например, в физике твёрдого тела, но это инновация для биофизики».
«И результат поразителен: эта простая модель идеально описывает движение бактерий. Мы проверили её нашей сложной функцией и не нашли отклонений. В биофизике удивительно, что теоретическая модель может быть так точно подтверждена экспериментами».