Направляя микробы по их пути

Междисциплинарная область физики активного вещества исследует принципы поведения и самоорганизации живых организмов. Цель состоит в том, чтобы раскрыть общие принципы, которые позволяют описывать и прогнозировать характеристики живой материи и тем самым поддерживать развитие новых технологий. Недавно группы Оливера Боймхена и Марко Мацца из MPIDS, Университета Байройта и Университета Лафборо в Великобритании опубликовали свои результаты по модели, описывающей микробную навигацию. «Поскольку микробам часто сложно перемещаться в замкнутом пространстве, мы спрашивали себя, есть ли закономерность в навигации микробов в определенном отсеке», – объясняют они свой подход. Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи проследили за одним подвижным микробом и экспериментально определили поток вероятности его перемещений. То есть они разделили заранее определенный отсек на секторы и определили вероятность направления движения для каждого сектора. Таким образом была создана карта, по которой можно предсказать навигационное поведение микроба.


Кривизна определяет поток

Удивительно, но оказалось, что микроб не перемещается случайным образом через открытое пространство. Вместо этого средний образец движения был одновременно высокоорганизованным и симметричным: карта моделей движения показывала определенное распределение потоков вероятности. «В частности, было обнаружено, что сила потока зависит от кривизны прилегающей твердой поверхности раздела: более высокая степень кривизны приводит к более сильному потоку», – объясняют Ян Камманн и Фабиан Шварцендаль, ведущие авторы исследования. По практическим соображениям все измерения проводились в квазидвумерной среде, что означает, что микроб был ограничен сверху и снизу, чтобы лучше контролировать его движение и избежать расфокусировки. Наблюдая за его схемой движения, группа Марко Мацца (Университет Лафборо и MPIDS) создала модель для прогнозирования вероятностей течения в определенном направлении. Затем эта модель была применена к отсекам с более сложной кривизной границы раздела и экспериментально подтверждена лабораторией Оливера Боймхена (MPIDS и Университет Байройта). «Оказывается, кривизна границы раздела является доминирующим фактором, который напрямую определяет поток самодвижущихся микробов», – резюмирует Боймхен.

Технологическое значение для будущего

Поскольку это открытие представляет собой фундаментальное наблюдение, модель также может быть применена к другим областям физики активного вещества. «С нашей моделью мы можем в основном статистически предсказать, где будет интересующий объект в следующий момент», – сообщает Mazza. «Это может не только значительно улучшить наше понимание организации жизни, но и помочь в разработке технических устройств».

Таким образом, понимание принципов организации активного вещества может иметь прямое отношение к нашим технологиям будущего. Потенциальные применения модели могли бы направлять движение фотосинтезирующих микроорганизмов таким образом, чтобы их поток мог приводить в движение генератор, что было бы прямым способом преобразования солнечного света в механическую энергию. Но также в фармацевтическом секторе и секторе здравоохранения выводы ученых могут быть применены: «Потенциальным применением в медицинском секторе является разработка микророботов, доставляющих лекарства в конкретное место назначения эффективным способом», – заключает Боймхен.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments