Atklājumi.lv

Baktēriju kolonijas aug fraktālā rakstā

Kā zināms, fraktāļi jeb pašlīdzīgās struktūras ir atrodamas teju itvisur - koku lapās, mākoņos, upju līnijās... Tagad zinātnieki konstatējuši, ka arī baktēriju kolonijas, fizikālo spēku un lokālo nelīdzsvarotību ietekmē, augot veido fraktālu - asimetrisku un sazarotu - rakstu. Jauns, žurnālā "ACS Synthetic Biology" publicēts Kembridžas zinātnieku pētījums papildina biologu zināšanas par baktēriju biofilmu un daudzšūnu struktūru veidošanos.

Neskatoties uz to, ka lielā mērogā baktēriju kolonijas augot vienmēr veido apļveida struktūras, formācijas iekšienē to šūnas izvietotas sazaroti un asimetriski. Izmantojot ģenētiku, mikroskopiju un atbilstošu skaitļošanas programmatūru, zinātnieki izveidoja īpašu sistēmu daudzšūnu baktēriju populācijas attīstības izpētei. Iezīmējuši baktērijas, tajās ievietojot gēnus, kas sintezē dažādi iekrāsotus proteīnus, pētnieki ar augstas izšķirtspējas mikroskopiem detalizēti izpētīja koloniju augšanu. Viņi atklāja, ka, baktēriju šūnām augot, tās spontāni veido negaidītus, sazarotus rakstus. Tad, ar liela mēroga datormodelēšanas sistēmas palīdzību, pētnieki noskaidroja, ka fraktālais raksts rodas, šūnām grūžoties un spiežoties vienai pret otru - mehāniskā nestabilitāte izraisa šūnu salocīšanos. Šūnām daloties tas atkārtojas vēl un vēl, galarezultātā izveidojot pašlīdzīgu sakārtojumu - fraktāļus. Salīdzinot augšanu dabīgu baktēriju populācijā un speciāli izveidotu, apaļas formas šūnas veidojošu mutantu vidē, pēdējo kolonijās fraktāļu veidošanos nenovēroja.

Pētījuma vadošais autors, Kembridžas universitātes Augu zinātņu departamenta pētnieks, dr. Džims Hazelovs teica: "Izteikti bioloģiskie raksti rodas pat no niecīgas savstarpējās [šūnu] ietekmes. Līdzīgas parādības tiek novērotas arī ekonomisku, sociālu un politisku sistēmu sakārtošanās procesā. (..) Lielu populāciju izturēšanos ir grūti paredzēt, bet mūsu darbs ļāva sekmīgi pārbaudīt ātrus un precīzus datormodeļus, kurus varēs izmantot kā testēšanas vidi daudzšūnu sistēmu pārprogrammēšanai."

Sintētiskā bioloģija ir jauna zinātņu nozare, kas bioloģijā ievieš inženierzinātņu principus, kurus liekot lietā, dzīvās sistēmas tiek pārprogrammētas, iedarbojoties uz to DNS. Sintētiskai bioloģijai ir potenciāls radīt jaunu, ilgstspējīgu tehnoloģiju paaudzi, kas, izmantojot jaunos materiālus, no bioloģiskiem izejmateriāliem un atkritumiem ražos enerģiju un sniegs jaunas iespējas citās jomās. Šobrīd, lai izpētītu jaunas pašorganizācijas formas un to funkcionālo nozīmi, sintētiskie biologi sāk izmēģinājumus lielu šūnu populāciju pārprogrammēšanā un šis pētījums, norāda Hazelovs, ir nozīmīgs solis uz priekšu šajā darbā. "Šī ir eksperimentāla sistēma, kas apvieno fiziku, zināšanas par šūnu un augšanu noteicošo ģenētiku, kas ļauj izveidot jauna tipa "testa tuneļa" pieeju. (..) Tāpat tā dod ieskatu medicīnai nozīmīgajā bakteriālo biofilmu veidošanās procesa agrīnajā fāzē, kad mikrobi veido neregulāras formācijas invazīvas augšanas paātrināšanai un lielāka virsmas kontakta izveidošanai. Tas var būt nozīmīgi gan izpratnes palielināšanai par biofilmu veidošanos, gan jaunu, biotehnoloģisku biofilmu modelēšanā."

Attēls: Džima Hazelova laboratorijas publicitātes foto.

Avots:

Timothy J. Rudge, Fernán Federici, Paul J. Steiner, Anton Kan, Jim Haseloff. Cell Polarity-Driven Instability Generates Self-Organized, Fractal Patterning of Cell Layers. ACS Synthetic Biology, 2013; 130603150853004 DOI: 10.1021/sb400030p

Brīvpieejas materiāls. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.