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 生物物理学

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Publy细菌可以脱落肿瘤生长

22 Oct 2013
盛宴和饥荒:营养水平影响细菌菌落的形状

细菌可以在日常生活中殖民,从水管到牙齿到牙齿,在过程中传播有害疾病。科学家们假设这种菌落的生长依赖于能够推动食物来源的细菌,但苏格兰的一群物理学家现在表明,菌落在它们之间的菌群之间的简单机械排斥量展开成长并碰到彼此。这种洞察力可以提高研究人员的理解,甚至可能有助于对抗癌症的斗争。

科学家使用计算机模型的细菌殖民地,更好地了解这些无处不在的结构的许多关键特征。一个令人兴趣的一个参数是殖民地’■增长的速度,因为这决定了疾病如何传播的速度。另一个重要的特征是殖民地’S形状。细菌迅速繁殖,这增加了它们将突变和获得抗生素的抵抗力的可能性。但繁殖需要营养,并且新形成的细菌可能会被邻近的细胞击打,以达到殖民地边缘更丰富的营养素。殖民地的形状可以决定那种种族的结果。

根据现有的模型,基于20世纪30年代的生物学家罗纳德费舍尔和数学家安德里·克尔莫戈戈罗夫的理论,细菌菌落的生长速度和形状取决于营养素的棕色运动样和随机但活跃的运动在细菌的一部分。然而,这些模型未能描述生长在表面上的菌落的行为,细菌通常无法推动自己。

细菌‘active matter’

在最新的工作中, Fred Farrell. 爱丁堡大学的同事,与G Max Planck Trance和自我组织研究所的Oskar Hallatschek一起工作ö德国Ttingen,旨在建立机械力在固体基材上浓密菌落生长中的重要性。越来越多的物理学家调查的一部分“active matter”存在远离热均衡的,该团队也受到最近的研究,表明机械压力会影响细胞的生长和死亡率,包括癌细胞。

研究人员模拟了非自我推进的单细胞细菌的演变,从单个细胞或一排细胞开始,它们被营养成分逐渐耗尽以生长和分裂。每个细菌被认为是沿其长度生长的弹性杆,并且当它达到一定尺寸时,它们分成两个。随着它的扩展,细菌推动其最近的邻居,凭借它与它们之间的弹力产生运动。

研究人员发现,这种机械力向外推动殖民地,使其克服表面摩擦。推力的强度的增加导致更快的殖民地。他们还发现,由于它扩展的殖民地的形状取决于细胞的比例’增长率与可用营养素量。当营养水平低,殖民地形成分支以查找更多食物,而在实验上观察到,菌落的殖民地具有圆形的圆形。

不需要扩散

与费舍尔相反–Kolmogorov模型,这种行为在没有细菌的扩散的情况下实现,并且它也很少依赖于营养素的扩散。 Farrell.’s colleague Bartek Waclaw. 指出,通过将细菌菌落限制在微流体阵列内,可以通过将细菌菌落限制为2D,然后对其进行成像以看看它的增长速度有多快。虽然旧模型预测,增长应该是线性的,但新的模型表示,它应该比线性或指数慢。

但是,只有两个维度,模型’根据Waclaw的说法,效用将有限。虽然他补充说模型的基本3D扩展确实重现了主要结果。他解释说,新形成的细菌菌落可以简单地作为一层细胞存在,但菌落迅速积聚连续的层。此外,他指出,许多细菌交换化学品以彼此通信和这种信号不包含在当前模型中。然而,他说,该模型可以模仿在皮肤癌黑色瘤的早期阶段发生的事情,他解释说,他解释说,开始作为细胞基本上平坦的细胞殖民地。

看着突变

Waclaw补充说,该组现在正在研究模型的扩展版本,使其能够直接调查细菌的机械性质如何影响抗生素抗性突变的产生速率。为此,研究人员认为细菌的一定数量是突变品种,并且这些细胞可以比其余更快地生长一点。然后,它们计算耐药突变体细胞可以在其竞争对手前方达到营养素并形成临界细胞的概率。

这项研究的长期目的是,Waclaw表示,可以制作可以控制细胞机械性能以降低获取抗生素抗性的细胞的几率的药物。“这只是一个假设,” he cautions, “但最终的希望是,有一天可以通过应用药物来修改机械相互作用。”

该研究发表在 物理评论信.

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