27. Моделирование перемещения бактерий

Одной из наиболее изученных бактерий является бактерия Е. Coli [8], которая живёт в кишечнике большинства млекопитающих (в том числе и в кишечнике человека). Бактерия Е. Coli при соответствующих условиях может самовоспроизводиться (расщепляться) за 20 мин. Движение бактерии Е. Coli обеспечивается шестью или более жгутиками, вращающимися с частотой 100...200 об/с, каждый из которых управляется своим собственным биологи­ческим «мотором».

Примерная схема движения бактерии выглядит следующим образом: ко­гда «мотор» работает в одну сторону, все жгутики у бактерии складываются и вращаются вместе, и бактерия движется прямолинейно. В конце пробега бактерия останавливается, «мотор» переключается и начинает работать в другую сторону. Жгутики растопыриваются и «бултыхаются» независимо друг от друга. Бактерия при этом переориентируется в пространстве случай­ным образом. После этого «мотор» опять переключается и начинает работать в ту сторону, в которую жгутики работают вместе, и возникает следующий отрезок прямолинейного движения.

Хемотаксис - это двигательная реакция бактерии в ответ на появление в среде аттрактанта (аттрактант - вещество, привлекающее бактерий) или ре­пеллента (репеллент - вещество, отпугивающее бактерий). В естественных условиях аттрактантами являются вещества, полезные для бактерий репеллентами - те, которые бактериям вредны.

При наличии пространственных изменений концентрации аттрактантов или репеллентов частота кувырканий, а следовательно, и длина свободного пробега бактерии изменяются. Длина свободного перемещения бактерии плывущей в сторону возрастающей концентрации аттрактанта, увеличивает­ся, а при движении в сторону возрастающей концентрации репеллента уменьшается.

Таким образом, можно выделить следующие хемотаксические действия бактерии Е. Coli:

• если бактерия находится в нейтральной среде, то чередуются кувырки и передвижения, за счёт чего выполняется поиск;

• если бактерия перемещается по градиенту аттрактанта, то перемеще­ние продолжается в этом же направлении. Таким образом, обеспечивается поиск более благоприятной окружающий среды;

• если происходит перемещение в направлении, противоположном гра­диенту репеллента, то обеспечивается избегание неблагоприятной окружаю­щей среды.

Таким образом, бактерия может перемещаться в областях с полезным» веществами и в то же время избегать опасных веществ. Сенсоры, используе­мые Е. Coli, - белковые рецепторы, которые являются очень чувствительны­ми (незначительное изменение в концентрации полезных веществ может вы­звать существенное изменение в поведении бактерии).

От рецепторов сигналы поступают на метилакцептирующие белки, ко­торые собирают все сигналы от рецепторов, и результирующий сигнал выхо­дит на «мотор» жгутика, который управляет движением бактерии в зависи­мости от соотношения полезных и опасных веществ в окружающей среде.

Бактерии часто умирают или расстворяются, и это должно учитываться при моделировании их деятельности. Мутации у Е. Coli происходят в нор­мальных условиях приблизительно 10'⁷ ген в поколение.

E.Coli могут формировать сложные устойчивые пространственно- временные структуры в некоторых полутвердых полезных средах. Бактерии могут поглощать питательные вещества по их радиусу, начиная от внешней границы заканчивая серединой, даже в случае, если бактерии были изначаль­но размещены в центре питательных веществ. Кроме того, при определённых I условиях они могут скрывать притягивающие сигналы от клетки к клетке, за счёт чего они группируются и защищают друг друга. Таким образом, эти бактерии могут группироваться в колонии.