Ученые создали эффективную модель для отслеживания реакции бактерий на химические вещества

Континуальная модель против агентной модели для изначально однородной бактериальной популяции, реагирующей на затухающий импульс хемоэффектора. Автор: Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences (2025). DOI: 10.1098/rsta.2024.0261

Ученые из Ньюкасла разработали эффективную новую модель для отслеживания реакции бактерий на токсичные химические вещества и питательные вещества.

Модель помогает объяснить, как бактерии реагируют в таких средах, как океаны или почва, где химические сигналы, включая питательные вещества или загрязнители, могут быстро меняться. Лучшее понимание этой популяционной динамики необходимо для защиты экосистем, которые зависят от бактерий и становятся более уязвимыми из-за проблем, связанных с загрязнением и изменением климата.

Примеры бактерий, ориентирующихся во временно меняющихся химических средах в природе, включают патогенные бактерии в человеческом организме, где уровни химических веществ могут быстро меняться со временем, и бактериям необходимо уметь уплывать от токсичных для них химических веществ, таких как антибиотики (отрицательный хемотаксис). В почвах бактериям также необходимо находить сахара, выделяемые корнями растений (положительный хемотаксис), которые меняются со временем, поскольку корень выделяет сахара только в определенное время суток.

В то время как более старые модели рассматривали только то, как бактерии реагируют на химические изменения в пространстве, новое исследование показывает, что изменения во времени, такие как появление или исчезновение химических веществ, также могут влиять на перемещение бактерий.

Опубликованная в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society A, новая модель позволяет описывать популяции бактерий с более низкими вычислительными затратами, а следовательно, и с меньшим углеродным следом, чем предыдущие модели.

Ведущий автор исследования, аспирант Ньюкаслского университета Джейсон Бэйнс, объясняет:

«Предыдущие модели, которые моделировали бактерии индивидуально, могут моделировать эту динамику, но с очень высокими вычислительными затратами и уменьшенным количеством популяции. Наша модель может достичь этого с гораздо более низкими вычислительными затратами, моделируя популяцию в целом».

«Это важно, потому что эти модели должны быть доступны всем исследователям, работающим на переднем крае микробной науки, которые не всегда могут иметь доступ к большим вычислительным ресурсам».

Главный исследователь исследования, доктор Отти Кроуз, добавил:

«Бактериальные сообщества в окружающей среде включают огромное количество особей. Моделирование даже части этих особей было бы невозможно даже для самых мощных компьютеров. Наша модель позволяет моделировать большие хемотаксические бактериальные популяции с низкими вычислительными затратами, что может помочь понять микробные сообщества — от почвы, стимулируя устойчивое сельское хозяйство, до человеческого тела, помогая бороться с устойчивостью к противомикробным препаратам».

ИИ: В 2025 году, когда вычислительные ресурсы и экологическая устойчивость становятся все более важными, такие разработки особенно актуальны. Новая модель не только ускоряет исследования, но и снижает углеродный след, что соответствует современным экологическим требованиям.

Больше информации: Jason Singh Bains et al, Drift velocity of bacterial chemotaxis in dynamic chemical environments, Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences (2025). DOI: 10.1098/rsta.2024.0261

Источник: Newcastle University