Batteri in movimento Notizie sul miraggio

In uno sforzo congiunto con diverse istituzioni internazionali, i ricercatori dell’Università di Innsbruck hanno descritto i modelli di movimento dei batteri E. coli. Per fare ciò, hanno utilizzato un ceppo batterico ingegnerizzato, esperimenti submicroscopici e funzioni complesse.

L’Escherichia coli è uno dei batteri più famosi al mondo. Non solo si trova in abbondanza nel nostro intestino, ma è anche un organismo modello preferito nella ricerca. Al microscopio, i batteri E. coli possono essere identificati come un gruppo di bastoncini in continuo movimento. La forma esatta di questo movimento è stata ora studiata da diversi team in un progetto di ricerca internazionale. Gli scienziati hanno coltivato un nuovo ceppo di batteri i cui movimenti possono essere controllati e hanno confrontato i dati sperimentali con un modello fisico che descrive i modelli di movimento dell’Escherichia coli su lunghi periodi di tempo. Questo modello è stato confermato da uno studio sperimentale.

Confrontare esperimenti e teorie utilizzando la funzione di dispersione media è un’impresa della scienziata tirolese Christina Kurzthaler. Questo lavoro è iniziato come parte della sua tesi di dottorato Gruppo di ricerca Thomas Franoch Nel Istituto di Fisica Teorica Presso l’Università di Innsbruck. Kurzthaler è uno dei primi autori dello studio e ora dirige il proprio gruppo di ricerca presso l’Istituto Max Planck per la fisica dei sistemi complessi di Dresda. Il suo lavoro è stato appena pubblicato come Editor’s Choice su Physical Review Letters, una delle riviste più importanti di fisica.

Nuoto e atterraggio

In biofisica, il movimento di E. coli è descritto dal modello “corri e ruzzola”. Con l’aiuto di numerosi piccoli flagelli, i batteri nuotano in una direzione specifica. Ad un certo punto il moto diventa rotolante ed i batteri cambiano direzione. Questo comportamento distintivo è noto da molto tempo, ma finora non può essere descritto con precisione, poiché è stato difficile misurare per quanto tempo i batteri nuotano prima di iniziare a vacillare.

“I batteri dell’Escherichia coli nuotano in soluzione, il che significa che si muovono molto rapidamente nello spazio 3D”, afferma Kurzthaler. “Questo movimento è difficile da misurare perché richiede molti dati”. “Tracciare i singoli batteri per un lungo periodo di tempo richiede molto tempo e strumenti sperimentali speciali”. Il comportamento di fluttuazione è molto importante per i batteri. E. coli li usa per cercare cibo o fuggire da sostanze tossiche. “Conoscere questo comportamento in dettaglio apre molte nuove possibilità sperimentali”, afferma Kurzthaler.

Enfasi per funzione di dispersione

Per caratterizzare con precisione i processi di motilità, gruppi partner di istituti di ricerca cinesi hanno sviluppato un ceppo ingegnerizzato di E. coli in cui la frequenza di rotolamento può essere ridotta o aumentata se coltivato in determinate soluzioni chimiche. Un gruppo dell’Università di Edimburgo ha condotto esperimenti con questi batteri e ha acquisito immagini microscopiche dell’intera popolazione batterica in più punti temporali. I ricercatori di Innsbruck hanno poi analizzato i dati raccolti utilizzando la funzione di dispersione media sviluppata da Kurzthaler, che misura indirettamente la distribuzione dei batteri nello spazio e nel tempo e fornisce informazioni sulla loro dinamica. Ciò ha permesso di calcolare una varietà di dati su lunghi periodi di tempo, ad esempio la velocità dei batteri e la durata della loro caduta. Il risultato è stato una descrizione dettagliata del movimento dei batteri E. coli nello spazio 3D.

“Il modello run-and-tumble in sé non è nuovo”, afferma Franoch. “Il nostro approccio al calcolo del movimento nello spazio utilizzando soluzioni numeriche computerizzate è già una pratica comune in altri campi come la fisica dello stato solido, ma è un’innovazione in biofisica. Il risultato è qualcosa di notevole: questo modello davvero semplice descrive perfettamente il movimento dei batteri e noi lo abbiamo verificato.” Utilizzando la nostra complessa funzione non siamo riusciti a trovare alcuna deviazione nel campo della biofisica, ed è molto sorprendente che il modello teorico possa essere confermato con tanta precisione mediante esperimenti.”

Pubblicazione: Caratterizzazione e monitoraggio delle dinamiche di corsa e di intervento nell’Escherichia coli. Christina Kurzthaler, Yongfeng Zhao, Nan Zhou, Jana Schwarz-Link, Clemens Defay, Jochen Arlt, Jian-Dong Huang, Wilson CK Poon, Thomas Franoch, Julian Taylor, Vincent A. Martinez. Fis. Rev. Lett. 132, 038302, doi: 10.1103/PhysRevLett.132.038302