Οι ερευνητές δημιουργούν ακριβέστερο μοντέλο για το πώς κάποια μικρόβια αναζητούν θρεπτικά συστατικά
Τα μικρόβια όπως το κοινό βακτήριο του εντέρου Ε. Coli εκτελούν μια διαδικασία γνωστή ως χημειοταξία για την ανίχνευση μικροσκοπικών διαβαθμίσεων θρεπτικών ουσιών. Τα μικρόβια "κολυμπούν" ή "ανιχνεύουν" μέσα από το περιβάλλον τους, που οδηγούνται από περιστρεφόμενα μαστίγια, για να κυνηγήσουν τις κλίσεις χημικών ελκυστικών μέχρι να φτάσουν σε μια πλούσια σε θρεπτικά συστατικά.
Το νέο μοντέλο των ερευνητών, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Proceedings της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, είναι το πιο ακριβές, αλλά στην πρόβλεψη της δυναμικής της βακτηριακής χημειοταξίας κάτω από διάφορες συγκεντρώσεις θρεπτικών ουσιών και ιξώδη - σημαντικούς παράγοντες που καθορίζουν τη συμπεριφορά κολύμβησης ή ανίχνευσης βακτηρίων.
Τα ευρήματα βοηθούν τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τον τρόπο με τον οποίο τα βακτηρίδια βρίσκουν τρόφιμα σε επίπεδο μικροσφαιριδίων και θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε τεχνολογικές προόδους στους τομείς της βιοαισθητοποίησης, της διάγνωσης και της ιατρικής.
"Αυτά τα μικρόβια παρουσιάζουν εκπληκτικά πλούσια συμπεριφορά και προβλέπουν με ακρίβεια τον τρόπο με τον οποίο περιηγούνται σε μια κλίση είναι προκλητική", δήλωσε ο Igor Aronson, καθηγητής μαθηματικών στο UT Austin και συν-συγγραφέας του χαρτιού. "Το απλοποιημένο μοντέλο μας επιτρέπει στους ερευνητές να υπολογίζουν την ταχύτητα με την οποία τα μικρόβια βρίσκουν τρόφιμα και συγκρίνουν τις προβλέψεις με πειράματα, τα οποία θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη βελτιστοποίηση της διαδικασίας με την οποία τα μικρόβια βρίσκουν τρόφιμα ή στόχους στο μέλλον.
Η βακτηριακή χημειοταξία συνδέεται επίσης με τη μολυσματικότητα. Τα μικρόβια βασίζονται στην ανίχνευση χημικής κλίσης στη χημειοταξία για να εντοπίσουν και να μολύνουν έναν ξενιστή. Το E. coli, για παράδειγμα, χρησιμοποιεί χημειοταξία για να βρει θρεπτικά συστατικά και επίσης να εντοπίσει και να μολύνει τα έντερα των θηλαστικών, τον προτιμώμενο βιότοπο των μικροβίων.
"Τα ευρήματα θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε νέα αντιβιοτικά που εμποδίζουν αυτό το σύστημα πλοήγησης στη χημειοταξία, εμποδίζοντας τη μετάδοση της νόσου", δήλωσε ο Alexander V. Argun, καθηγητής μαθηματικών της UCLA και ο άλλος συν-συγγραφέας του χαρτιού.
Οι ερευνητές σημειώνουν ότι τα προηγούμενα μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν τη βακτηριακή χημειοταξία έκαναν μια σειρά από απλουστευτικές υποθέσεις στις εξισώσεις τους, οι οποίες τελικά τους εμπόδισαν να ταιριάζουν με την ακρίβεια των πειραματικών παρατηρήσεων. Συγκεκριμένα, τα προηγούμενα μοντέλα απέτυχαν να υπολογίσουν ένα υπερβολικά αδρανειακό αποτέλεσμα που δρα στα μικρόβια, τα οποία επιβραδύνουν τη δυναμική τους.
"Αυτή η εμπειρία των βακτηρίων είναι παρόμοια με την κολύμβηση σε μελάσα", δήλωσε ο Aronson. "Η δυναμική είναι πολύ διαφορετική από την κολύμβηση μέσα από το νερό και τα περισσότερα προηγούμενα μοντέλα δεν το έλαβαν αυτό υπόψη".
Το νέο θεωρητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε από τους Aronson και Argun ενσωματώνει το αδρανειακό αποτέλεσμα μαζί με αρκετές άλλες ρεαλιστικές επιδράσεις, όπως το μέγεθος και την εσωτερική πυκνότητα των βακτηρίων, για να βελτιώσουν σημαντικά την ακρίβεια του μοντέλου στην αναπαραγωγή πειραματικών παρατηρήσεων.
Ο Argun σημείωσε επίσης ότι ορισμένα συστήματα βακτηριακής χημειοταξίας εμφανίζουν μια μη μονοτονική απόκριση ταχύτητας, πράγμα που σημαίνει ότι η ταχύτητα των μικροβίων αυξάνεται μέχρι το μέγιστο καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση θρεπτικών ουσιών και στη συνέχεια αρχίζει να μειώνεται.
"Αυτό είναι διαφορετικό από αυτό που βλέπουμε στα περισσότερα φυσικά φαινόμενα, όπου η ταχύτητα πάντα αυξάνεται καθώς αυξάνεται η κινητήρια δύναμη", δήλωσε ο Argun. "Εδώ, η κολύμβηση γίνεται λιγότερο αποτελεσματική σε υψηλές συγκεντρώσεις θρεπτικών ουσιών λόγω« υπερβολικής υπογραφής », το οποίο το μοντέλο μας είναι σε θέση να συλλάβει».
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το μοντέλο τους για να δημιουργήσουν μια ακριβή ποσοτική πρόβλεψη για τον τρόπο με τον οποίο η ταχύτητα κολύμβησης των μικροβίων αλλάζει καθώς προσαρμόζονται στην έλλειψη θρεπτικών ουσιών, μια πρόβλεψη που προηγουμένως δεν είναι διαθέσιμη από αναλυτικά μοντέλα.
"Αυτά τα μαθηματικά μοντέλα όχι μόνο μας βοηθούν να αποκτήσουμε πληροφορίες για τη φύση, αλλά μπορούν επίσης να μας βοηθήσουν να κάνουμε προβλέψεις που μπορούν να δοκιμαστούν πειραματικά", δήλωσε ο Aronson. "Αυτό το μοντέλο θα πρέπει να παρέχει καλύτερη κατανόηση του ρόλου της χημειοταξίας στη βακτηριακή κινητικότητα, την οικολογία και τη φυσιολογία".
