Самоорганизация живой материи в сложные структуры: как световой паттерн влияет на агрегацию активных филаментов

При локальном освещении активные филаменты накапливаются в стабильные структуры вдоль границ освещенной области. Исходя из этого факта, исследователи из Института динамики и самоорганизации им. Макса Планка (MPI-DS) разработали модель, которую можно использовать для симуляции самоорганизации нитевидной живой материи. Эта модель дает важные сведения для потенциальных технических применений в формировании структур.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Нитчатые цианобактерии агрегируют в областях с благоприятными световыми условиями и используют световую энергию для фотосинтеза. Обычно эти микроорганизмы образуют длинные филаменты, состоящие из множества клеток. Однако нитевидные структуры могут двигаться только вперед или назад — покидая освещенную область, они меняют направление движения и таким образом остаются на свету.

Ученые из MPI-DS исследовали возникающие организационные структуры. Было обнаружено, что только взаимное взаимодействие нескольких филаментов заставляет цианобактерии выстраиваться вдоль внутреннего края освещенной поверхности, формируя тем самым стабильные структуры.

Для этого исследователи подготовили и осветили несколько культур цианобактерий в чашках Петри.

С помощью слайдов они создавали различные световые паттерны и затем наблюдали за самоорганизацией бактерий. При круговом световом паттерне бактерии в основном собирались у края освещенной области. Аналогично, когда освещенная область была треугольной, трапециевидной или другой формы, возникали характерные паттерны филаментов вблизи границы света.

«Замечательно то, что бактерии также выстраиваются вдоль сложных структур и кривых, хотя они могут двигаться только вперед и назад», — говорит Стефан Карпиччка, руководитель группы в MPI-DS и профессор Констанцского университета. «Это типичный пример эмерджентности — характерная общая структура возникает независимо на более высоком уровне из индивидуального поведения одиночного филамента».

Инсайты, полученные из экспериментов ученых, и результирующая модель также могут быть применены к живой материи со сравнимой морфологией.

«Модель не включает каких-либо специфических деталей, касающихся биологии бактерий», — говорит Лейла Аббаспур, соавтор исследования вместе с Максимилианом Курьяном.

«Этот коллективный эффект, таким образом, также может наблюдаться в похожих системах и позволять активным филаментам структурироваться в соответствии с сенсорными сигналами из их окружения, несмотря на одномерную подвижность», — говорит Курьян.

Результаты этого исследования, следовательно, дают важные сведения, которые могут быть использованы, например, при проектировании так называемых умных текстилей или материалов. Эти новые структуры и ткани также основаны на расположении отдельных волокон и активных филаментов. Такие механизмы самосборки могут, таким образом, позволить разработку новых инновационных материалов.