일반적인 장내 박테리아와 같은 미생물은 미세 영양소 구배를 검출하기 위해 화학 주성으로 알려진 과정을 수행합니다. 미생물은 주변 환경을 통해 "수영"또는 "크롤링"을 통해 편모로 구동되어 영양소가 풍부한 위치에 도달 할 때까지 화학적 유인 제의 그라디언트를 쫓아 내기 위해 주변 환경을 통해 "크롤링"합니다.
국립 과학 아카데미 (National Academy of Sciences)의 저널 절차에 발표 된 연구원의 새로운 모델은 다양한 영양소 농도와 점도 하에서 박테리아 화학 주성의 역학을 예측하는 데 가장 정확하지만 박테리아의 수영 또는 크롤링 행동을 결정하는 중요한 요소입니다.
이 결과는 과학자들이 박테리아가 마이크로 스케일 수준에서 음식을 찾는 방법을 더 잘 이해하고 바이오 센싱, 진단 및 의학 분야에서 기술 발전을 초래할 수 있습니다.
UT Austin의 수학 교수이자 논문의 공동 저자 인 Igor Aronson은“이 미생물은 놀랍도록 풍부한 행동을 보이며, 그라디언트를 탐색하는 방법이 어렵다는 것을 정확하게 예측하는 것은 어려운 일이 어려워집니다. "우리의 단순화 된 모델을 사용하면 연구원들은 미생물이 음식을 찾는 속도를 계산하고 예측을 실험과 비교할 수있게 해주므로 미생물이 향후 음식이나 목표를 찾는 과정을 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 생명 공학, 의료 및 환경 치료에 적용하는 데 영향을 미칩니다."
박테리아 화학 주성은 또한 독성과 관련이 있습니다. 미생물은 화학 주성에서 화학적 구배 감지에 의존하여 숙주를 찾아 감염시킨다. 예를 들어, 대장균은 화학 주성을 사용하여 영양소를 찾고 미생물의 선호하는 서식지 인 포유 동물 내장을 찾아 감염시킵니다.
UCLA 수학 교수이자 다른 논문의 공동 저자 인 Alexander V. Argun은“이 발견은이 항해 시스템을 화학 주성에서 방해하여 질병 전염을 방지하는 새로운 항생제로 이어질 수있다.
연구자들은 박테리아 화학 주성을 설명하는 이전의 수학적 모델이 방정식에서 여러 가지 단순화 가정을 만들어서 궁극적으로 실험 관찰의 정확성과 일치하지 못하게했다고 지적했다. 특히, 이전 모델은 미생물에 작용하는 과다 램프 관성 효과를 설명하지 못하여 역학이 느려집니다.
아론슨은“박테리아 경험이 당밀 수영과 비슷하다”고 말했다. "역학은 물을 통해 수영하는 것과는 매우 다르며, 대부분의 이전 모델은 이것을 고려하지 않았습니다."
Aronson과 Argun이 개발 한 새로운 이론적 모델은 박테리아의 크기 및 내부 밀도와 같은 몇 가지 다른 현실 효과와 함께 실험적 관찰을 복제 할 때 모델의 정확도를 크게 향상시킵니다.
Argun은 또한 일부 박테리아 화학 주성 시스템은 비 단조성 속도 반응을 나타내며, 이는 영양소 농도가 증가함에 따라 미생물의 속도가 최대까지 증가한 다음 감소하기 시작한다고 지적했다.
Argun은 "이것은 구동력이 증가함에 따라 항상 속도가 증가하는 대부분의 물리적 현상에서 우리가 보는 것과 다르다"고 말했다. "여기서, 수영은 우리 모델이 캡처 할 수있는 '과잉 서명'으로 인해 높은 영양소 농도에서 덜 효율적입니다."
연구원들은 모델을 사용하여 미생물의 수영 속도가 영양소 부족에 적응할 때 어떻게 분석 모델에서 이용할 수 없는지에 대한 정확한 정량적 예측을 생성했습니다.
Aronson은“이러한 수학적 모델은 우리가 자연에 대한 통찰력을 얻는 데 도움이 될뿐만 아니라 실험적으로 테스트 할 수있는 예측을하는 데 도움이 될 수 있습니다. "이 모델은 박테리아 운동, 생태학 및 생리학에서 화학 주성의 역할을 더 잘 이해해야합니다."
