Компьютерное моделирование показывает, как бактерии замедляют свой рост, чтобы избежать скученности, и это поведение может помочь в борьбе с патогенами.
В идеальных условиях размножение бактериальных клеток происходит по экспоненте, превращая пустую чашку Петри в пышный «газон» роста. Однако по мере развития колонии бактерий неизбежны «проблемы роста», поскольку пролиферирующие клетки вынуждены балансировать между скоростью роста и стрессом от скученности и нехватки питательных веществ. Другие факторы, такие как вариации в сроках деления клеток или их размер, еще больше усложняют этот баланс и делают изучение динамики популяции сложной задачей.
Вместо того чтобы полагаться на традиционные эксперименты с чашками Петри, исследователи, такие как Скотт Уиди, биолог-компьютерщик из Flatiron Institute of the Simons Foundation, создают симуляции для моделирования специфических особенностей динамики роста бактерий. Используя эти точно контролируемые искусственные среды, Уиди стремится понять, как клетки реагируют на один из универсальных жизненных вызовов - стресс.
В этих симуляциях Уиди и его коллеги наблюдали за размером клеток и заметили неожиданную закономерность, которая сопровождала рост колонии. «Мы начинаем с одной клетки и она начинает расти. По мере роста они толпятся и превращаются в большой круг», - объясняет Уиди. Когда частицы колонии размножались, они толкались друг о друга, усиливая скученность клеток и замедляя скорость их распространения. Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review Letters, свидетельствуют об адаптированной к стрессу стратегии роста, которая может помочь в моделировании клеточных реакций на стрессовые факторы и разработке новых стратегий контроля роста патогенов.
Сначала Уиди разработал симуляторы частиц, которые моделировали поведение пролиферации одной частицы - компьютерной версии бактериальной клетки - по мере ее разрастания в относительно небольшую колонию. Длина «рождающейся» искусственной клетки, как описал ее Уиди, составляла примерно два микрометра на один микрометр и напоминала палочковидную бактерию, такую как Escherichia coli. Частицы росли пропорционально своему размеру и делились, как только достигали удвоенной длины.
Однако по мере того, как колония разрасталась от центра, возникала своеобразная клеточная мешанина. «Все соседи теснятся, поэтому [клеткам] приходится выталкивать множество других клеток, чтобы расти, и все это происходит в то время, как еще один сосед пытается вытеснить другого с дороги», - пояснил Уиди.
Моделирование частиц (слева) и континуума (справа) показало, что в условиях низкого стресса колонии бактерий задерживают свой рост, когда на них оказывают давление быстро делящиеся соседи. Фото: Weady S, et al. (2024); Center for Computational Biology, Flatiron Institute.
По мере того как моделирование продолжалось, Уиди заметил вырисовывающуюся закономерность. Расчеты показали, что, когда дело доходило до столкновения, быстро делящаяся бактерия в центре колонии становилась центром стресса. Уиди обратил внимание на то, что по мере продолжения эксперимента в смоделированной чашке Петри появлялись новые центры стресса, что приводило к укорачиванию клеток - признаку замедления роста. Частицы образовывали концентрические круги, напоминающие кольца дерева, каждое из которых означало цикл роста, скученности и замедления пролиферации. Большее количество колец указывает на большее количество циклов, что отражает более высокий уровень стресса от скученности. Клетки на краю колонии (светло-зеленые на изображениях) быстро росли, захватывая пространство своих соседей. Соответственно, это замедляло рост соседних клеток (более темные зеленые на изображениях).
Эти первые симуляции частиц показали, как происходит пролиферация при относительно небольшом количестве клеток. На основе этих данных исследователи разработали континуумную модель, чтобы предсказать поведение того же процесса при гораздо большем количестве исходных клеток, в конечном итоге достигающих идентичного конечного размера. Уиди увидел, что эта модель полностью совпадает с результатами моделирования с помощью частиц, что подтверждает их наблюдения о том, что скопления бактериальных клеток останавливают свой рост в ответ на стресс.
Моделирование частиц (слева) и континуума (справа) в условиях среднего стресса показало, что увеличение стресса бактериальных частиц приводит к появлению отчетливого рисунка концентрических кругов. Фото: Weady S, et al. (2024); Center for Computational Biology, Flatiron Institute.
Понимание фундаментальных биофизических процессов роста бактерий может помочь ученым использовать эти знания для борьбы с патогенными бактериями при инфекциях и улучшения контроля над микроорганизмами. Уиди видит потенциал в этой технологии моделирования, которая позволяет исследователям экспериментировать с распространением колоний в различных средах, например, в жидкости или поверхностном слое. «Моделирование этих систем - захватывающая вещь, потому что с помощью моделей можно сделать предсказание, которое мы сможем проверить, а не наоборот». Он надеется получить аналогичные результаты при применении этой технологии к реальным колониям бактерий.
