U zajedničkim naporima sa različitim međunarodnim institucijama, istraživači sa Univerziteta u Insbruku opisali su obrasce kretanja bakterije Escherichia coli. Da bi to uradili, koristili su projektovani bakterijski soj, eksperimente pod mikroskopom i komplikovane funkcije.
Ešerihija koli je jedna od najpoznatijih bakterija na svetu. Ne samo da se nalazi u izobilju u našim crevima, već je i omiljeni model organizma u istraživanjima. Pod mikroskopom se bakterije E. coli mogu prepoznati kao gomila štapića koji su uvek u pokretu.
Tačan oblik ovog pokreta sada je istražilo nekoliko timova u međunarodnom istraživačkom projektu. Naučnici su kultivisali novi soj bakterija čije kretanje se može kontrolisati i uporedili eksperimentalne podatke sa fizičkim modelom koji opisuje obrasce kretanja E. coli tokom dugih vremenskih perioda. Ovaj model je potvrđen eksperimentalnom studijom.
Poređenje eksperimenata i teorije korišćenjem srednje funkcije rasejanja je dostignuće tirolske naučnice Kristine Kurctaler. Ovaj rad je započeo kao deo njene doktorske teze u istraživačkoj grupi Tomasa Franoša na Institutu za teorijsku fiziku Univerziteta u Inzbruku.
Kurcthaler je jedan od prvih autora studije i sada vodi sopstvenu istraživačku grupu na Institutu Maks Plank za fiziku složenih sistema u Drezdenu. Njen rad je upravo objavljen kao izbor urednika u Phisical Reviev Letters.
U biofizici, kretanje E. coli opisuje se modelom „trči i prevrni”. Uz pomoć mnogih malih flagela, bakterije plivaju u određenom pravcu. U određenom trenutku, pokret se pretvara u prevrtanje i bakterije menjaju pravac. Ovo karakteristično ponašanje je poznato odavno, ali se do sada nije moglo precizno opisati, jer je bilo teško izmeriti koliko dugo bakterije plivaju pre nego što počnu da se prevrću.
„Bakterije E. coli plivaju u rastvoru, što znači da se veoma brzo kreću u trodimenzionalnom prostoru. Ovo kretanje je teško izmeriti jer zahteva mnogo podataka“, kaže Kurcthaler. „Praćenje pojedinačnih bakterija tokom dugog vremenskog perioda je veoma dugotrajno i zahteva posebne eksperimentalne instrumente.
Ponašanje prevrtanja je veoma važno za bakteriju. E. coli ga koristi za traženje hrane ili za bekstvo od toksičnih supstanci. „Poznavanje ovog ponašanja do detalja otvara mnoge nove eksperimentalne mogućnosti“, kaže Kurzthaler.
Da bi precizno okarakterisale procese kretanja, partnerske grupe u kineskim istraživačkim institucijama razvile su projektovani soj E. coli u kome se učestalost prevrtanja može smanjiti ili povećati kada se uzgaja u određenim hemijskim rastvorima.
Grupa na Univerzitetu u Edinburgu sprovela je eksperimente na ovim bakterijama i napravila mikroskopske slike celokupne bakterijske populacije u više vremenskih tačaka. Istraživači u Insbruku su zatim analizirali prikupljene podatke koristeći srednju funkciju rasejanja koju je razvio Kurzthaler, a koja indirektno meri distribuciju bakterija u prostoru i vremenu i pruža informacije o njihovoj dinamici.
Ovo je omogućilo da se izračunaju različiti podaci tokom dugih vremenskih perioda, na primer, brzina bakterija i trajanje njihovog prevrtanja. Rezultat je bio detaljan opis kretanja bakterija E. coli u trodimenzionalnom prostoru.
„Model trčanje i prevrtanje sam po sebi nije nov“, kaže Franosch. „Naš pristup izračunavanja kretanja u prostoru sa numeričkim rešenjima na računaru je. Ovo je već uobičajena praksa u drugim oblastima kao što je fizika čvrstog stanja, ali je inovacija u biofizici.
„I rezultat je nešto fascinantno: da ovaj zaista jednostavan model trčanja i prevrtanja savršeno opisuje kretanje bakterija. Proverili smo to našom komplikovanom funkcijom i nismo mogli da nađemo nikakvo odstupanje. U oblasti biofizike, to je prilično neverovatno da se teorijski model može tako precizno potvrditi eksperimentima“.
