Dünaamika füüsilisest isikust paljundus-rindel motile bakterid

Link: http://carambola.usc.edu/research/biophysics/BacterialFronts.html

Alison Kraigsley ja Paul D. Ronney

Osakond  Lennundus ja Masinaehitus

Lõuna-California ülikoolis, Los Angeles, CA 90089-1453

 

Steven E. Finkel

Osakonna bioteaduste

Lõuna-California ülikoolis, Los Angeles, CA 90089-1340

 

Kokkuvõte

Kui palju on teada füüsilisest isikust paljundus-reaktsioon-difusiooni rindel, et esineda palju keemiliselt reageerivad süsteemid nagu tuld, polümerisatsiooni protsesside ja mõnede lahjade reaktsioone, see tohutu teadmiste baasi, ei ole varem süstemaatiliselt kohaldada bioloogiliste süsteemide (nt levib motile bakterid. Eesmärgid see töö on (1) et määrata kindlaks, kui need teadmised saab rakendada, et bioloogiliste süsteemide (2) kui jah, saada rohkem kvantitatiivseid ja sõnastikupõhise mõista bioloogiliste süsteemide, et näitus füüsilisest isikust paljundus-rindel. Analoogia vahel levib motile bakterid ja muud füüsilisest isikust paljundus-rindel jätkatakse suhtes vastavalt dünaamiliste omaduste selline rindel. Esialgsed katsetused, kasutades E. coli bakter tõepoolest näidata käitumine on analoogne reaktsioon-difusiooni süsteemid. Me oleme püüdnud viia läbi põhjalik uuring dünaamiliste omadustega, sealhulgas levimise määr on ees kumerus toime, pärssides piirid, stabiilsuse piirid, ujuvus mõju, tõhus difusiooni koefitsiendi ja paljunemise ajal skaala. Seda teavet kasutatakse sisendina olemasolevate analüütiliste/numbrilised mudelid reaktsiooni-difusiooni rindel ja kehtivuse kavandatava analoogiaid kindlaks määratud. Erinevused tavapärane reaktsioon-difusiooni süsteemide ja mikrobioloogiliste süsteemid võimaldavad ka hinnata. Üks oluline erinevus on see, et bakterid muutuvad ja reageerivad stressile, tegur, mida uuritakse, korrates eespool katsetamine bakterite, mis on säilinud peaaegu sulametallist tingimused. Need andmed on seejärel kasutada, et saada paremat arusaamist elu-ja kohandamine bakterid ebasoodsate tingimuste korral.

Sissejuhatus

Füüsilisest isikust paljundus-reaktsiooni rindel esineda palju keemilisi ja füüsikalisi süsteeme, kaasa arvatud leegid, vaba-radikaalse algatatud polümerisatsiooni protsesside ja mõnede lahjade reaktsioone. Kõik need süsteemid on, mida iseloomustab kaks põhitunnust: reaktiivne keskmise (näiteks kütuse-õhu segu puhul leegid) ja autocatalyst mis on toote reaktsioon, mis ka kiirendab reaktsiooni (näiteks soojusenergia puhul, leegid). Ise paljundamine tekib siis, kui autocatalyst hajutab arvesse reageerivad keskmise, algatada reaktsiooni ja luua rohkem autocatalyst. See võimaldab reaktsioon-difusiooni rindel propageerida juures pidev määrad kaugel tahes algatamise kohas.

Kaks olulist tunnust füüsilisest isikust paljundus-reaktsioon-difusiooni rindel on levimise määr (d) ja sulametallist piirata. Paljundamine määr on kiirus, mille ees ettemaksed arvesse reageerivad keskmise, mis üldjuhul sõltub üldise reaktsiooni ajal skaala (t) ja difusiooni koefitsient (D) autocatalyst kohaselt seoses s ≈ (D/t)1/2. t omakorda sõltub kontsentratsioonist ja tegevuse reageerivad. Kui sulametallist limiit on minimaalne või maksimaalne väärtus mingi parameetri (näiteks, minimaalne reagendi kontsentratsioon või kanali laius), mille puhul pidevalt paljundus-front, ei saa eksisteerida. Siduri et vahel tekib keemiline reaktsioon ja difusioonilise ja konvektsioonisoojuse transpordi leekides [[1]], polümerisatsiooni rindel [[2]] ja vesilahused reaktsioone [[3]] on hästi aru kvantitatiivselt.

Üllatav, et analoogne rida menetlustoiminguid ei ole kohaldatavad mikrobioloogilised süsteemid, kuigi esimene modelleerimine reaktiivne-difusioonilise rindel, mis viib seoses s ≈ (D/t)1/2, korraldati 1937. aastal seoses nakkushaiguste levikut (vt [[4]]). Eesmärk meie uurimine on hinnata teostatavust seda teha ja see kujundada rohkem kvantitatiivset arusaamist selline mikrobioloogilised süsteemid. Kõige mikrobioloogilised uuringud keskenduma üksikutele bakter ja lugedes käitumist üksikisikutele. Selles uuringus me rakendame termodünaamiline seaduste ja uuringu agregeeritud käitumine, suur hulk üksikisikuid. Katse juhul on meil valida, kas keskenduda jaoks on see uuring on väga levinud ja laialdaselt uuritud Escherichia coli bakter, motile bakter, mis (nagu paljud teised) ujub, kasutades oma kombitsad või flagella oma toitainete media kuigi sageli muutuvad suunas, et otsida piirkondade kõrgem toitainete sisaldus. Konkreetselt bakter on kaks režiimi käitumist: “run” režiim, kus oma flagella pöörata liikumas seda rohkem või vähem sirge, ja “kukuks” režiim, kus flagella põhjustada muudavad orientatsiooni vähe net algatusel [[5]]. Tulemuseks liikumine on mõnevõrra sarnane random walk of molekulid, mis viib klassikalise Fickian diffusion (kuigi mehhanism on täiesti erinevad, alates, molekulidega bakter liikumine ei ole seotud elastne kokkupõrkeid bakter). Ka soodsaid toitainete kalle, bakter jookseb rohkem, kui see tumbles, mille tulemuseks on kõrgem D, arvestades ebasoodne kalded, see tumbles rohkem, võimaldab see leida uued suunad ja tulemuseks on madalam D [Viga! Nagu on näidatud joonisel.]; see toob kaasa ka kallutatud random walk, mis soosib ülemineku piirkondades on suurenenud toitainete tase.

Need omadused motile bakterid saab kasutada mudelit, nende käitumist kui reaktsiooni-difusiooni rindel. Paljundamine kiirus (s): E. coli me mõõta (vt Esialgsed Tulemused jagu) 0.3% agar keskmine on umbes 4,5 mm/hr. Reprodutseerimine ajal skaala (t) E. coli on umbes 20 min Viga! Nagu on näidatud joonisel.. Kuna levimise kiirus, s ≈ (D/t)1/2, D ≈ s2t, seega D ≈ 1,5 x 10-5cm2/sek. See väärtus on kooskõlas väärtus on oodata, mis põhineb kineetilise teooria molekulid, mis näitab, et D on võrdeline osakeste kiirus (c), mis on korrutatud osakeste keskmine vaba tee (l), ma.e., juhul, molekulid, kaugus osakesed liiguvad enne kokkupõrkamise üksteist, või juhul, motile bakterid, muutes suunas. l võib hinnata kui c on korrutatud ajaga (t) bakterid ujuda muutmata suunas. E. coli, keskmine ujumine kiirus 21 µm/s, koos 21 suunamuutusi iga 30 sekundi järel on mõõdetud [Viga! Nagu on näidatud joonisel.]. See tähendab,  ≈ 1.4 s ja l ≈ 3,0 x 10-3 cm ja seega tõhus diffusivity D ≈ 6,3 x 10-6 cm2/s, mis on samas suurusjärgus kui väärtus D järeldada D ≈ s2t.

Võime järeldada, et see on põhjendatud iseloomustada leviku motile bakterid kui reaktsiooni-difusiooni rindel. Palju mikrobioloogilised uuringud meede reageerimise süsteemi kalle temperatuuri või toitained, mis on kehtestatud süsteem; me kavatseme näidata, et bakterid võivad tekitada oma kalded ja seega võib füüsilisest isikust paljundus. Tabelis 1 on näidatud kavandatud analoogia vahel tuld (tüüpiline reaktsioon-difusiooni ees) ja mikrobioloogiliste süsteemid.

 

Leeki või molekuli kinnisvara Mikrobioloogilised samaväärse
Temperatuuri Kontsentratsioon bakterid
Kütuse Toitainete
Soojuse diffusivity ≈ cl Diffusivity bakterid
Kütuse diffusivity Diffusivity toitainete
Heli kiirus (c) Ujumine kiirus bakter “run” – režiim
Keskmine vaba tee (l) c multipled keskmine aeg minna run mode kasutatav režiim ja tagasi
Reaktsioon ajakava (t) Reprodutseerimine time
soojuskadu Surm (üksikute bakter)
Sulametallist Surm (kõik bakterid)
 

Tabel 1. Kavandatud analoogia vahel tuld ja mikrobioloogiliste rindel

 

A raskendavad tegur leegid samuti motile bakterid on, et tõhusat difusiooni koefitsient muutub koos toote kontsentratsioon. Juhul, leegid, toodete tootmisel tekitab kõrgema temperatuuri, mis suurendab D peaaegu kõigil juhtudel. Juhul, motile bakterid, see on hästi teada, et bakterid kulutada vähem aega “run mode” ja rohkem “kukuks” režiimis, kui toitainete kontsentratsioon on kõrge (miks ringi vaadata, kui muru on juba roheline?) See tähendab, et keskmine vaba tee l on madalam ja seega on tõhusad diffusivity on madalam, kui toitainete kontsentratsioon on kõrge. Juhul, paljundus ees, mõned bakterid esirinnas esi vt kõrge toitainete kontsentratsioon ja seega on väike D. Kõrgema kontsentratsiooni bakterid (“toode” reaktsioon) tagatiiva ees on olemas keskmise väiksema toitainete kontsentratsiooni ja seega on “run” rohkem ja “kukuks” vähem, suurendades l ja seega D suurenevad. Seega analoogia, mille leegid on piisavalt lai.

 

Esialgsed tulemused

Eespool arutelu julgustasid meid läbi esialgsed katsed, et katse elujõulisuse meie ettepanekud. Need katsed viidi läbi temperatuuril 37C standard petri plaadid, kasutades vee baasil toitelahus, mis koosneb (kui ei ole märgitud teisiti) 1% NaCl, 1% tryptone, 0.5% pärmi ja 0,1% agarit. Agar suureneb viskoossus keskmise ja sisuliselt takistab lahtiselt liikuma. Keskmise oli inokuleeritud vastavalt bakterid punkti (tavaliselt kesklinnas, roog) ja saadud eelnevalt (kui on olemas) bakterite ees täheldati visuaalselt. Mitmed tüved E. coli testiti. Pärast esialgset mööduv, kõik eksponeeritud lineaarse kasvu ees raadius aja jooksul. Näide on toodud Joonisel. 1.

Joonis 1 näitab, et ees ettemaksed aeglasemalt esialgu, kui ees raadius on väike ja ees kumerus kõrge. Kõik muud katsed näitasid, et see sama trend. Sellist käitumist on täheldatud keemiline rindel, kus autocatalytic toode on madalama diffusivity kui reagendiga (ma.e., juhul, leegid, kõrge termiline diffusivity ja vähese kütuse diffusivity) ja selle põhjused on hästi aru [[6]]. Kuigi diffusivity, tryptone toitaine on teadmata, analoogia alusel sarnaste molekulid, mille väärtus on 10-7 cm2/s saab hinnata, mis on madalam kui ilmneb diffusivity E. coli hinnangute üle. Järelikult käitumine on näidatud Joon. 1 on kooskõlas reaktsiooni-difusiooni mudel, ees levikut. Lisaks leek teooria [Viga! Nagu on näidatud joonisel.] tähendab, et kui suhe toode reagendi diffusivities on liiga erinev väärtus 1, kas suurem või väiksem, eri liiki ees ebastabiilsust, võib tulemus. Muster teket mikrobioloogilised süsteemid on hästi teada – [[7]], kuid reaktsiooni-difusiooni teooria ei ole kasutatud mõõta ja prognoosida sellised mustrid. Uurime selline ebastabiilsus erineval andmekandjal diffusivity kaudu agar kontsentratsioon. Pealegi, me kahtlustame, et see valik run-trummelkuivatite ajastus E. coli ei ole juhuslik, sest see mõjutab D; D kui on liiga madal või liiga kõrge, liigesesidemeid tulemus, mis võivad olla ebasoodsad ellujäämise eest. Jätkame seda mõistet uurides mõju agar kontsentratsiooni kiire ja run-trummelkuivatite ajastus bakterid mikroskoobi all ja määrata, kui bakter kohaneb (kas lennata, või evolutsioonilised protsessid) selle kiirus ja run-trummelkuivatite ajastus muuta oma tõhusa D säilitada stabiilne rindel.

 

Joonis 1. Näiteks eksperimentaalsed andmed bakterite ees raadius aja funktsioonina.

 

Joonis 2. Mõõdetud mõju agar ja lahendus sügavusega pidev paljundamine pöörlemiskiiruste bakteriaalse rindel.

Mõju agar kontsentratsiooni ja sügavus toitelahus kohta pidev väärtuste levikuks määr s on näidatud Joonisel. 2. 0,5% või suurem agar kontsentratsioon (ei ole näidatud), keskmise oli sisuliselt kindel ja bakterid levida ainult pinnal keskmise, mitte lahtiselt. Difusiooni-nagu käitumine bakterid on tõenäoliselt see nii, kuna nad ei saa ujuda. Vähemalt 0,4% ja väiksem agar kontsentratsioon, bakterite leviku vahendusel. Suurima leviku määr (s) täheldati madalaima agar kontsentratsioonid (ja seega madalaim viskoossus keskmise). See on eeldatav, kuna madalama viskoossusega, bakter saab ujuda kiiremini ja seega peaks olema suurem tõhus D, mis toob kaasa suurema s (kuna s, on võrdeline D1/2 nagu eespool).

Sügavus lahendus oli leitud, et on peaaegu mingit mõju s. Võttes ristlõikele keskmise pärast osaline paljundamine ees, leiti, et rindel on enamasti ühtlane ja vertikaalne mõõde. Seega ujuvuse voolu, mis ei mõjuta nende rindel, muidu mõju lahendus sügavus s, või mitte-ühtsus vertikaalses suunas, oleks oodatud. Kuna katsed viidi läbi õhu, need tähelepanekud näitavad ka seda, et hapniku difusiooni arvesse keskmise puhul ei ole oluline, muidu majanduskasvu maapinna lähedal toitaine lahendus oleks erinevad, et pinna alla. See viimane tulemus näitab, et bakterid kasvavad anaeroobselt.

Et teha kindlaks, kas “sulametallist” piirid on olemas bakteriaalne rindel, eksperiment läbi viidi, kus bakterite rindel üritanud propageerida läbi kitsa ja laia kanalite antibakteriaalse seinad. Kuna antibiootikumid eemaldada autocatalytic toote (bakterid), mõju seinad on analoogne soojuskadu külma seinad leekides. Esi-levimiskiirus kitsad kanalid, see on hästi teada [Viga! Nagu on näidatud joonisel.] et sulametallist piirata tekib kuumuse tõttu kahju kanali seinad, kui Peclet number Pe = sw/D, kus w on kanali laius ja D on diffusivity, on väiksem kui kriitilise väärtuse. Seega juuresolekul soojuskadu, esipaneelid on võimalik propageerida läbi laia kanalite (kõrge Pe), kuid mitte kitsaste kanalite (madal Pe). Joonis 3 näitab, et rindel võib propageerida läbi lai kanal, aga mitte kitsas kanal, mis näitab sulametallist piirata. Kohaldatavuse sulametallist suhe Pe = sW/D = konstantselt piir katsetatakse seda tööd.

Mõju tryptone toitainete kontsentratsioon, oli ka katsetatud; leiti, et poole nimiväärtus levimist tekiks, arvestades, et s oli peaaegu samaks kahekordistada tryptone kontsentratsiooni, mis tuleneb tema nimiväärtus. See võib näidata, pärssides piirata isegi siis, kui puudub antibiootikumide seinad. Analoogne käitumine ilmneb leekides tõttu kiirguslevi soojuskadu, kui kütuse kontsentratsioon on liiga madal. Uurime seda seina-vaba limiit ja püüavad kindlaks teha, kahju mehhanismi eest allasurumine ees paljundamine madala toitainete tasemega.

Titering keskmise, et saada baktereid, loeb järjekindlalt näitas olulist piik bakterite kontsentratsioon juhtiv ees, millele järgneb suur langus taga ees ja hiljem korda, teine tipp kaugele maha esimene. See on kooskõlas pilte näidatud Joonisel. 3. Edaspidises töös kasutame titering analüüsi, et kindlaks määrata, kui ees paksus ≈ D/s, nagu ennustatud teoreetiliselt [Viga! Nagu on näidatud joonisel.]. Põhineb visuaalne kontroll Joon. 3 esipaneeli paksus on umbes 1 mm, mis on peaaegu ennustus D/s = (1,5 x 10-3 mm2/sek)/(4,5 mm/h) = 1,2 mm. Tulemused koos loodusliku tüve bakterid, näitas veidi kiirem esialgne mööduv ja lühema aja ja läbitud vahemaa, et jõuda pidev pidev paljundamine määr võrreldes geneetiliselt märgitud tüved.

 

 

Joonis 3. Fotod rindel motile E. coli bakterid paljundus läbi kitsa (6 mm, vasakul) ja lai (35 mm, parem) kanalid Kanamycin antibiootikumide külgseinte (100 microliters, Kanamycin külje kohta), võtta 6.5 tundi pärast nakatamist. Mõlemal juhul: 2086 looduses kasvanud E. coli tüve, 0.1% agar, standard toitelahus.

 

Praeguse teadusuuringute programm

Põhineb ilmne edu reaktsiooni-difusiooni mudel kirjeldab nende esialgne katse tulemusi, oleme järgitaks järgmisi teadusuuringute programm:

  1. Kindlaks levimise määr E. coli rindel funktsioonina toitainete kontsentratsioon, keskmise motoorikat (läbi muutmine agar kontsentratsioon), välisõhu temperatuur, ümbritseva õhu hapnikusisaldus (aeroobne vs anaeroobne keskkond), ja paksus kiht toitelahus. Need katsed viiakse läbi samal viisil nagu esialgsed katsed on kirjeldatud eespool. Lisaks sellele, et parandada visualiseerimine rindel, me kasutada E. coli konkreetsed fluorestseeriv värvid alates Molecular Probes, Inc (Eugene, OR). parandada visualiseerimine rindel. On ultraviolett-valguse allikas (ostetud) või Ar-ion laser kasutatakse erutada fluorestseeriv värvid.
  2. Kindlaks, D, mis põhineb seoses D ≈ s2t ja võrrelda, et oodata, mis põhineb seoses D = c2t, kus c on mõõdetud (kasutades video-mikroskoopia) kiirus (c) ja t-keskmine aeg muuta suunda. Standard video on piisavad, kuna run-trummelkuivatite ajal mõõtkava on tavaliselt 1 sek ja video raamimine määr on 30 eurot sek.
  3. Kindlaks sulametallist piirangud ja piirata Peclet numbrid võimaldades rindel propageerida kanalite kaudu, erineva laiusega (w), millel on antibiootikumide seinad (Kanamycin või sarnane) ja määrata, kui Pe on pidevalt piiri, st, on levimise määr (s) piirang on proportsionaalne 1/w?
  4. Kindlaks sulametallist piiri puudumisel seinad (vähendades toitainete kontsentratsioon, erineva agar kontsentratsioonid) ja kindlaks teha kahju mehhanism (ma.e. raku surma mehhanism) vastutab selle eest piirata.
  5. Kindlaks teha, stabiilsuse piirid funktsioonina suhe toode (bakter) reagendi (toitainete) diffusivity erineval agar sisaldus toitainete keskmise ja toitainete sisaldus. Fluorestseeriv värvid on hõlbustada pildistamine mitte-ühtne rindel ja mustri moodustumist.
  6. Kindlaks, kas ujuvus mõju ees paljundamine on olemas. Kuna E. coli bakterid on tihedus on veidi erinev veega, madal viskoossus ujuvus mõju tekib. Kõige uurijad kasutada suure viskoossusega agar keskmise vältida vedeliku voolu, kuid paljud reaalne E. coli keskkondades on vee-nagu viskoossus. Ujumise mõju, kontrollitakse katsetamise teel ees levimiskiirus agar-vaba meedia vertikaalne paralleelse plaadi seadmed (nn “Hele-Shaw” rakkude, vedeliku mehaanika kirjandus) ja ees muster ja levimise määr on täheldatud.
  7. Mudel nende tulemusi, kasutades meie olemasolevate analüütiliste/numbrilised mudelid reaktsiooni-difusiooni rindel.

 

Muidugi, seal on ka mõningaid erinevusi tavapärane reaktsioon-difusiooni süsteemide ja mikrobioloogiliste süsteemid. Üks oluline erinevus on see, et bakterid muutuvad ja reageerivad stressile, tegur, mida uuritakse, korrates eespool katsetamine “kogenud” bakterid, mis on säilinud peaaegu sulametallist tingimused. Teine erinevus, nagu on eespool kirjeldatud, on kallutatud difusiooni omadused. Seda tendentsi saab modelleerida, kasutades mittelineaarset difusiooni suhtes asendada Fick ‘ i Seadus.

 

Praktilist tähtsust

See töö on uuring dünaamika uus klass, samuti paljundus-rindel seotud motile bakterid. Uuring külgmised dünaamika on palju rakendusi, nagu on eespool kirjeldatud. Need uuringud siiski erilist huvi mikrobioloogi, sest see on seotud mehhanismid pikaajaline säilimine ja areng kasutada bakterid. Üks peamisi tegureid, mis mõjutab määrad evolutsiooniline muutus nende bakterite süsteemid on tasemel keskkonna stressi, samuti üleminekut ühest keskkonnast teise. Kultuur süsteemide arendame esindavad uusi keskkondi, kus need küsimused areng ja ellujäämine ei ole käsitletud. Käesolev töö on esimene katse, et meie teadmised, iseloomustada nende mõju biophysically.

Uuringu E. coli < kasvav anaeroobsetes tingimustes on eriti huvi. Kui E. coli (ja kõik muud enteric) bakterid) kasvab koos inimese seedetrakti, nad kasvavad anaeroobsetes tingimustes. Me soovime, et hakkad õppima bakterite stressireaktsioonid hapniku puudumisel veelgi laiendada meie üldist arusaama sellest, kuidas see bakter kohaneb elus mitmesuguseid keskkonna nišše. Näiteks, ei ole praegu teada, kui mehhanismid DNA kahjustusi remondi-ja mutatsiooni, et Prof. Finkel on õppinud (ja mida ta on näidanud, et oluline kohanemine romaan keskkondades) funktsiooni anaeroobsetes tingimustes. Need uuringud on sillaks alates alusuuringutest arvesse rohkem meditsiiniliselt olulistes valdkondades.

Ei valda inglise keelt? Proovige rootsi versioon. Või vene versiooni. Või tatari versioon. Või rumeenia versioon.

Viited

[1]. Williams, F. A., Sisepõlemismootorite Teooria, 2nd Ed., Benjamin-Cummins, 1985.

[2]. Pojman, J. A., Hyashenko, V. M., Khan, A. M., “Vaba-radikaalse eesmise polümerisatsiooni: füüsilisest isikust paljundus-reaktsiooni lained.” J. Chem. Soc., Faraday Trans. 92, 2825 (1996).

[3]. Epstein, I. R. Pojman, J. A. sissejuhatus mittelineaarne chemical dynamics, Oxford, 1998.

[4]. Winfree, A. T., Geomeetria Bioloogiline Aeg, Springer-Verlag, 1990; Murray, J. D., Matemaatiline Bioloogia, Springer-Verlag, 1993.

[5]. Berg, H. C., “Motile Käitumine Bakterid” Phys. Täna on 53, 24 (2000).

[6]. Lewis, B., von Elbe, G., Põlemine, Leegid ja Plahvatused Gaasid, 3rd ed., Academic Press, 1987.

[7]. Budrene E. O., Berg, H. C., “Keerukaid mustreid poolt moodustatud motile rakud E. coli,” Loodus 349, 630 (1991).

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *