Новое исследование, проведенное доктором Университета Пенсильвании Фаршидом Джафарпуром из отдела физики и астрономии, который работает в лаборатории Андреа Лю, показывает, что различия во времени генерации не накапливаются в течение нескольких поколений у одноклеточных организмов, таких как бактерии. Он предлагает новую теорию, опубликованную в Physical Review Letters, в которой описывается, как факторы, регулирующие размер отдельных клеток, влияют на скорость роста всей популяции.
В отличие от животных и растений, бактерии увеличивают размер своей популяции, просто увеличиваясь в размерах, а затем разделяясь пополам, чтобы образовались две новые бактериальные клетки. Изучая бактерии, когда они делятся на регулярной основе, известную как фаза экспоненциального роста, Джафарпур смог разработать модель, которая математически описывает эту фундаментальную фазу роста популяции. «Если вы хотите изучить физику роста бактерий, вы действительно хотите удалить все другие части, которые не являются частью фазы роста», – говорит он.
Джафарпур использовал комбинацию математических уравнений, компьютерного моделирования и данных биологических экспериментов, которые отслеживали рост отдельных бактериальных клеток. Он был удивлен, обнаружив, что модель предсказывает, что бактерии колеблются между более медленными и более быстрыми всплесками роста, в «синхронизированных всплесках делений», вместо того, чтобы популяция росла с постоянной скоростью. Эти колебания роста популяции теперь предоставляют биологам новый математический способ размышлять и изучать популяционную динамику.
Ранее биологам было известно, что время генерации в популяциях бактерий напрямую связано с размером отдельных клеток.
Если бактерия растет слишком долго, например, ее дочерние клетки больше, и они должны делиться раньше, чтобы компенсировать разницу в размерах. Этот процесс, известный как регулирование размера ячейки, также нивелирует некоторую изменчивость времени генерации, что позволяет синхронизировать времена деления друг с другом в течение гораздо более длительного периода времени, чем ожидалось ранее. Именно этот индивидуальный показатель регуляции размера клеток, по-видимому, также вызывает колебания скорости роста, наблюдаемые в модели Джафарпура.
«Изменчивость времени генерации имеет два разных источника: изменчивость роста и изменчивость деления», – объясняет Джафарпур. «Интересный результат заключается в том, что регулирование размера клеток полностью исключает вариабельность деления, поэтому единственное, что остается, – это вариабельность роста отдельных клеток. И, поскольку он меньше, колебания длятся намного дольше, чем вы ожидали."
Эту новую модель теперь могут использовать биологи для получения информации об изменчивости индивидуальных темпов роста, которые трудно измерить в лаборатории, но они чрезвычайно важны для изучения эволюции бактерий. И хотя эта модель потребует некоторых модификаций, прежде чем ее можно будет использовать для изучения других видов, Джафарпур считает, что помощь биологам в лучшем понимании физики, лежащей в основе роста популяции бактерий, является лишь одним из многих способов, с помощью которых физика может поддержать работу, выполняемую биологи.
«Биология стала больше ориентироваться на выяснение молекулярной основы механизмов с 1950-х годов с открытием структуры ДНК, но теперь мы достигаем уровня, когда мы должны вернуться и провести больше количественных исследований.
У физиков есть давняя традиция работы с реальными системами, они знают, как применять множество количественных методов, разработанных в математике, а также понимают, какие переменные важны, а какие нет », – говорит Джафарпур.