Исследование, проведенное учеными из Принстона, показало, как бактерии преодолевают препятствия, чтобы обеспечить сплоченное групповое движение. Это открытие имеет значение для понимания общих процессов коллективной миграции, от раковых клеток, реагирующих на химический раздражитель, до перемещения антилоп гну по саванне.
Главный исследователь Суджит Датта сказал, что он заметил, что популяции мигрирующих бактерий, как правило, остаются в хорошо организованных формированиях, даже когда они сталкиваются с препятствиями. Чтобы понять, что происходит, его команда создала условия, при которых группы бактерий могли разделиться на победителей и проигравших.
Датта сравнил экспериментальную установку своей команды с пешим бегом с волнистой стартовой линией, где одни люди стартуют раньше других, что дает им преимущество. Имея впереди богатую жилу питательных веществ, клетки бактерий были заинтересованы в том, чтобы ускориться и сожрать как можно больше пищи.
«К нашему удивлению, мы обнаружили, что клетки, которые стартовали впереди, двигались медленнее, а клетки, которые стартовали позади, двигались быстрее, поэтому клетки позади всегда могли их догнать», — сказал Датта, доцент кафедры химии и биологическая инженерия. «В конце концов, те закорючки, которые мы изначально придали форме популяции, сгладились, поскольку клетки продолжали двигаться вместе».
Это исследование, опубликованное 8 марта в журнале eLife , показывает, как индивидуальная саморегуляция приводит к глубокому возникающему коллективному феномену, который противоречит общепринятым представлениям об индивидуальных стратегиях выживания.
Это следует из более ранней работы лаборатории Датты, которая установила, как бактерии распространяются подобно волне, движущейся наружу, когда они ищут и потребляют питательные вещества в своем окружении, двигаясь вместе как группа, несмотря на множество препятствий на пути волны. Но в то время как более раннее исследование было сосредоточено на основном влиянии препятствий на передвижение группы, более поздняя работа сосредоточена на том, как популяции остаются вместе, даже когда они сталкиваются со значительными нарушениями в группе в целом.
Гонка Датты среди популяции кишечной палочки проходила в гидрогелевой матрице, как полоса препятствий для бактерий. Исследователи напечатали клетки в определенном порядке на 3D-принтере, а затем использовали конфокальный микроскоп для отслеживания движения клеток, генетически сконструированных таким образом, чтобы они светились, когда они прогрызают себе путь через матрицу.
«Используя этот микроскоп, вы получаете очень точное и точное измерение света в трех измерениях», — сказал Даниэль Амчин, аспирант в области химической и биологической инженерии и один из авторов статьи. С помощью длинной последовательности высокотехнологичных снимков команда разработала подробное представление о том, как клетки перемещаются — по отдельности и как группа — с течением времени.
Первоначально они считали, что наблюдаемое ими сглаживание было результатом случайного движения клеток. «Но если посчитать, — сказал Амчин, — случайная составляющая их движения не может заставить волнистые линии сглаживаться так быстро, как мы это наблюдаем».
Именно тогда команда разработала альтернативное объяснение, подкрепленное их экспериментами, моделированием и математической теорией.
Ведущие клетки имели доступ к большему количеству еды, потому что они были на переднем крае, ближе всего к следующему вкусному укусу. Последователей было соответственно меньше, в зависимости от их стартовой позиции . К удивлению исследователей, реакция отдельной клетки на градиент питательных веществ становилась менее эффективной, чем больше она ела. Ведущие клетки, все больше насыщаясь, замедлялись. Последователи не отставали, а это означало, что они получили больше еды, чем указывало бы их исходное положение без этого возникающего феномена распределения. В результате мигрирующее население держалось вместе, несмотря на препятствия и стимулы, которые могли его разделить.
«В этом вся прелесть», — сказал Датта. «Поведение этих людей настроено, возможно, за миллионы лет эволюции, чтобы способствовать коллективным результатам, даже если люди не имеют представления о других клетках». Анализ группы Датты, опубликованный в журнале Physical Review Letters, еще больше поддерживает эту идею, устанавливая количественные прогнозы условий, при которых популяции должны быть в состоянии держаться вместе, и показывая, что встречающиеся в природе популяции, как правило, удовлетворяют этим условиям.
Эти идеи дают подробную и строгую основу для общего понимания коллективной миграции, помимо бактерий , например, как стадные, стайные и стайные организмы — и даже микроскопические плавающие роботы — координируют свои действия в больших группах.
«Мы думаем, что это более общий принцип, описывающий, как популяции множества различных движущихся объектов могут путешествовать вместе как группа, поскольку способность других клеток или агентов воспринимать различные стимулы и реагировать на них во многих случаях по своей природе ограничена», — Датта. сказал. «Итак, мы надеемся, что наша работа побудит других людей изучать этот эффект в других контекстах».
