Спонтанное сотрудничество в микромире

Комбинация двух типов компьютерного моделирования позволила исследователям из Иллинойса обнаружить неожиданно кооперативную динамику: спонтанное возникновение совместного использования ресурсов в сообществе. Членами этого дружелюбного коллектива стали бактерии Escherichia coli.

Результат, сначала предсказанный математическими моделями, а затем подтверждённый экспериментально, был опубликован в BMC Systems Biology. Учёные под руководством профессора химии Зана Лутхи-Шультена несколько лет работали над симуляциями роста бактерий. Аспирант Джон Коул модифицировал программное обеспечение Lattice Microbe, моделирующее диффузию и реакции молекул (например, сахаров), добавив в него симуляцию метаболизма этих молекул в отдельных клетках.

Бактерии, такие как E. coli, адаптируют свой метаболизм в зависимости от доступных ресурсов. Как и человеческие мышечные клетки, они предпочитают расщеплять глюкозу в присутствии кислорода, но могут использовать и бескислородный путь. Этот путь, аналогичный производству молочной кислоты в мышцах, производит химический побочный продукт — ацетат, который всё ещё содержит неиспользованную химическую энергию.

Рост колонии моделировался в 3D, что позволило увидеть, что происходит, когда колония становится больше и кислороду труднее проникнуть во внутренние слои, а глюкозе с субстрата — достичь верхних.

Модель выявила нечто новое и неожиданное: бактерии спонтанно начинают сотрудничать для оптимального использования ресурсов.

• Клетки на дне, лишённые кислорода, расщепляли глюкозу до ацетата.
• Клетки наверху поглощали этот ацетат и, используя доступ к кислороду, завершали его расщепление, извлекая оставшуюся энергию.
• Клетки в самом внешнем кольце, имевшие доступ и к глюкозе, и к кислороду, демонстрировали наибольший рост и размножение.

Чтобы проверить предсказания модели, учёные вырастили и наблюдали за бактериальными колониями в лаборатории в условиях, соответствующих симуляции. С помощью генетически модифицированного флуоресцентного красителя они визуально отследили клетки, использующие ацетат в качестве источника топлива. Флуоресцентная метка была видна в верхних слоях клеток в центре колонии, как и предсказывала симуляция.

Важной особенностью как смоделированных, так и реальных колоний стало быстрое возникновение кооперативной специализации задач среди генетически идентичных или почти идентичных клеток. Авторы надеются, что модель можно адаптировать для получения новых данных о поведении других групп клеток, включая раковые опухоли.