Desenvolupat un model matemàtic més simple que permet reproduir els patrons de creixement dels bacteris

(15/09/2010)

La manera com sʼexpandeixen les colònies de bacteris és un dels temes dʼestudi clàssics de la biologia. En un treball recent dʼIgnasi Pagonabarraga, professor del Departament de Física Fonamental de la UB, en col·laboració amb investigadors de la Universitat dʼEdimburg, es planteja un nou model que permet, amb només dos paràmetres, reproduir els patrons de creixement de les colònies dʼaquests microorganismes.

 
15/09/2010

La manera com sʼexpandeixen les colònies de bacteris és un dels temes dʼestudi clàssics de la biologia. En un treball recent dʼIgnasi Pagonabarraga, professor del Departament de Física Fonamental de la UB, en col·laboració amb investigadors de la Universitat dʼEdimburg, es planteja un nou model que permet, amb només dos paràmetres, reproduir els patrons de creixement de les colònies dʼaquests microorganismes.

 

En el model matemàtic desenvolupat en aquest treball, publicat a la revista Proceedings of the National Academy of Science (PNAS), sʼhan tingut en compte els moviments bàsics dʼun bacteri, que són la motilitat, el moviment direccional i la difusió, un moviment més desordenat de tempteig. «Al final hem determinat dos paràmetres adimensionals que descriuen de quina manera canvia la motilitat en funció de diferents aspectes, com ara la densitat de bacteris o el ritme de difusió», explica lʼinvestigador Pagonabarraga. Actualment, per estudiar el creixement de les colònies els models consideren lʼevolució conjunta de la densitat de bacteris i dʼestimulants químics on cal ajustar un nombre significatiu de fins a deu paràmetres.

 
A la natura, els bacteris es troben, sovint, concentrats en superfícies formant estructures espectaculars vistes al microscopi. En el laboratori, és possible reproduir aquests patrons en una placa de Petri que conté gel dʼagar que fa dʼaliment. En aquest marc, els biòlegs matemàtics han desenvolupat una sèrie dʼequacions que tenen en compte com es mouen els bacteris en funció de lʼaliment, fenomen anomenat quimiotaxi. Així, «en el model proposat no sʼha tingut en compte la quimiotaxi però sí que prediu la formació de patrons sorprenentment similars als que estan considerats com a resultat d'un comportament quimiotàctic», conclou Pagonabarraga. A més, els dos paràmetres tenen sentit físic i això permetria ajustar-los per al disseny de futurs experiments.
 
Un patró típic de creixement de colònies bacterianes és el format per anells concèntrics. Aquests patrons es poden predir tenint en compte que la motilitat bacteriana varia amb la densitat. Aquest canvi provoca la separació dels bacteris en dues fases de gruix diferent a causa de la coexistència de dues densitats. La divisió cel·lular predomina en les regions menys denses i la mort cel·lular en les de més densitat. El desenvolupament de models simplificats que identifiquin un conjunt mínim de paràmetres per descriure els patrons observats experimentalment obre la possibilitat dʼidentificar els mecanismes bàsics subjacents a la dinàmica bacteriana.
 

Article:

M. E. Cates, D. Marenduzzo, I. Pagonabarraga, J. Tailleur. «Arrested phase separation in reproducing bacteria creates a generic route to pattern formation». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. DOI: 10.1073/pnas.1001994107 (2010).