Биопленки, представляющие собой организованные сообщества микроорганизмов, в сотни раз устойчивее к антибиотикам, чем отдельные клетки, и рассматриваются как одна из основных угроз для биологической безопасности. Однако до сих пор оставались неясными механизмы, связывающие рост биомассы и систему бактериального оповещения о плотности популяции, известную как «чувство кворума». Ученые из Университета Иннополис в сотрудничестве с Мюнхенским техническим университетом разработали гибридную математическую модель, которая описывает эту взаимосвязь. Исследование, опубликованное в журнале Computers in Biology and Medicine, сочетает клеточный автомат на гексагональной решетке с дискретными аналогами уравнений реакции-диффузии.
В интервью с авторами исследования, младшим научным сотрудником Самвелом Саруханяном и профессором Анной Масловской, обсуждаются преимущества гексагональной геометрии по сравнению с квадратной для моделирования изотропного роста. Также рассматриваются вопросы о том, как ограниченное питание влияет на активацию «кворума», а также как эта модель может быть использована для создания цифровых двойников бактериальных систем в биомедицине. Биопленка описывается как сложная структура, меняющая свойства бактериальной популяции, и «чувство кворума» определяется как механизм межклеточной коммуникации, позволяющий бактериям адаптировать свою активность в зависимости от плотности популяции.
Разработка модели основана на представлении о том, что бактерии и их среда функционируют как единая система с двусторонними потоками влияния. Модель отслеживает биомассу, концентрацию питательных веществ и сигнальных молекул. Уровень кворума зависит от плотности бактерий, а сами бактерии, в свою очередь, регулируют свою активность в зависимости от сигналов, создавая замкнутый цикл обратной связи. Формирование структуры колонии также зависит от взаимодействия нескольких процессов, таких как поступление и расход питательных веществ, что влияет на архитектуру биопленки. Результаты показывают, что при меньшей доступности питания бактериальный «кворум» активируется при более низких порогах, что указывает на метаболическую модуляцию кворум-зависимого поведения.
На текущем этапе эта модель используется в фундаментальных исследованиях для изучения коллективного поведения бактерий и его влияния на архитектуру биопленок. Потенциальное применение модели в биомедицине особенно актуально в условиях госпиталей, где патогенные микроорганизмы могут образовывать устойчивые сообщества на медицинском оборудовании. Для дальнейшего развития модели необходимо взаимодействие с экспериментальными лабораториями, чтобы получить данные для настройки и валидации. Исследователи открыты для сотрудничества и подчеркивают, что модель может стать основой для более глубокого понимания механизмов роста биопленок и их координации.
Информация в статье носит справочный характер и не заменяет консультацию врача. Перед применением рекомендаций обратитесь к специалисту.
Фото: hi-tech.mail.ru
Материалы проходят проверку с учетом современных клинических рекомендаций, научных данных и практического опыта врачей. Основная задача Медколлегии — обеспечить достоверность, актуальность и понятность медицинской информации для пользователей.