Small: В природе все может двигаться синхронно — даже бактерии

Бактерии E. coli могут синхронизировать свои движения, создавая порядок в кажущихся случайными биологических системах, выяснили исследователи из Делфтского университета. Поймав отдельные бактерии в микроинженерные круговые полости и соединив их узкими каналами, команда наблюдала скоординированное движение бактерий.

Результаты исследования, которые могут найти применение в создании управляемых биологических осцилляторных сетей, были недавно опубликованы в журнале Small.

Публика хлопает в ритм, светлячки мигают в унисон или стаи скворцов движутся как единое целое — синхронизация является природным явлением, наблюдаемым в различных системах и масштабах. Впервые синхронизация была описана Кристианом Гюйгенсом в XVII веке и была проиллюстрирована согласованным качанием его маятниковых часов. Теперь исследователи из ТУ Делфт показали, что даже бактерии кишечной палочки — одноклеточные организмы длиной всего несколько микрометров — могут демонстрировать это же явление.

Это был выдающийся момент для нашей команды, — говорит Фарбод Алиджани, доцент факультета машиностроения.

Наблюдение за синхронным танцем бактерий не только демонстрирует красоту природы, но и углубляет наше понимание микроскопических истоков самоорганизации мельчайших живых организмов.

Синхронизированное движение

Команда Алиджани, совместно с профессором ТУ Делфт Сейсом Деккером (Cees Dekker) и спин-оффом ТУ Делфт SoundCell, добилась этого с помощью точно сконструированных микрополостей, в которые попадают отдельные клетки E. coli из общей массы. Внутри этих круглых полостей бактерии начали демонстрировать вращательное движение, напоминающее маятниковые часы. Соединив две такие полости крошечным каналом, исследователи заметили, что через некоторое время две бактерии начали синхронизировать свои движения.

Эта синхронизация происходит из-за гидродинамических взаимодействий, вызванных движением бактерий в соединенной системе, — объясняет Алиджани.

Команда количественно оценила силу этой связи и обнаружила, что согласованное движение бактерий соответствует универсальным математическим правилам синхронизации.

На пути к сети согласованного движения

Полученные результаты многообещающи и открывают путь к созданию микроинструментов, способных вызывать контролируемые колебания и синхронизацию в бактериальных системах. Такие инструменты могут помочь ученым изучить подвижность и координацию бактерий в замкнутых средах, что позволит лучше понять активную материю микроорганизмов.

Сейчас команда исследует более сложные системы, соединяя несколько полостей для формирования сетей синхронизированных бактерий.

Мы хотим выяснить, как ведут себя эти сети и сможем ли мы создать еще более сложные динамические движения, — добавляет Алиджани.

Возможности для скрининга лекарств

Хотя это исследование носит в основном фундаментальный характер, его потенциальные возможности применения весьма обширны.

Это может даже обеспечить новый подход к скринингу лекарств, например, путем измерения изменений потока жидкости и сил, вызванных движением бактерий до и после введения антибиотиков, — предполагает Алиджани.

Исследование было вдохновлено предыдущей работой, в которой команда Алиджани записала первый в истории звук одной бактерии с помощью графенового барабана.

Нам было интересно, сможем ли мы сделать еще один шаг вперед и создать порядок из хаотических колебаний, которые мы наблюдали, — говорит Алиджани.

В этом исследовании они перешли от записи саундтрека одной бактерии к оркестровке ее «танго».

Ранее ученые нашли ахиллесову пяту бактерий.

04.12.2024