研究人员利用散射函数分析大肠杆菌的运动模式

在与多个国际机构的共同努力下，因斯布鲁克大学的研究人员描述了大肠杆菌的运动模式。为此，他们使用了工程菌株、显微镜下的实验和复杂的功能。

大肠杆菌是世界上最著名的细菌之一。它不仅在我们的肠道中大量存在，而且还是研究中最受欢迎的模式生物。在显微镜下，大肠杆菌可以被识别为一堆始终在移动的杆状体。

目前，国际研究项目中的多个团队已经对这种运动的确切形式进行了研究。科学家们培养了一种可以控制其运动的新细菌菌株，并将实验数据与描述大肠杆菌长期运动模式的物理模型进行了比较。该模型得到了实验研究的证实。

使用中间散射函数对实验和理论进行比较是蒂罗尔科学家克里斯蒂娜·库兹塔勒 (Christina Kurzthaler) 的成就。这项工作是她在因斯布鲁克大学理论物理研究所 Thomas Franosch 的研究小组中撰写的博士论文的一部分。

库兹塔勒是该研究的第一作者之一，目前在德累斯顿马克斯·普朗克复杂系统物理研究所领导自己的研究小组。她的作品刚刚作为编辑精选发表在《物理评论快报》上。

游泳和翻滚

在生物物理学中，大肠杆菌的运动是通过“奔跑和翻滚”模型来描述的。在许多小鞭毛的帮助下，细菌朝一定的方向游动。在某一时刻，运动变成翻滚，细菌改变方向。人们很早就知道这种特征行为，但直到现在还无法准确描述，因为几乎不可能测量细菌在开始翻滚之前会游动多长时间。

“大肠杆菌在溶液中游泳，这意味着它们在三维空间中移动得非常快。这种移动很难测量，因为它需要大量数据，”库兹塔勒说。“长时间追踪单个细菌非常耗时，并且需要特殊的实验仪器。”

翻滚行为对于细菌来说非常重要。大肠杆菌利用它来寻找食物或逃避有毒物质。“详细了解这种行为开启了许多新的实验可能性，”库兹塔勒说。

通过散射函数确认

为了准确地描述运动过程，中国研究机构的合作伙伴团队开发了一种工程化的大肠杆菌菌株，当在某些化学溶液中生长时，可以减少或增加翻滚的频率。

爱丁堡大学的一个小组对这些细菌进行了实验，并在多个时间点拍摄了整个细菌种群的显微图像。因斯布鲁克的研究人员随后使用 Kurzthaler 开发的中间散射函数分析了收集到的数据，该函数间接测量细菌在空间和时间上的分布，并提供有关其动态的信息。

这使得计算长时间内的各种数据成为可能，例如细菌的速度和翻滚的持续时间。结果详细描述了大肠杆菌在三维空间中的运动。

“跑动和翻滚模型本身并不新鲜，”弗兰诺什说。“我们在计算机上用数值解来计算空间运动的方法是。这在固体物理学等其他领域已经是常见的做法，但它是生物物理学的一项创新。

“结果是令人着迷的：这个非常简单的运行和翻滚模型完美地描述了细菌的运动。我们用我们的复杂函数检查它，没有发现任何偏差。在生物物理学领域，这是相当惊人的理论模型可以通过实验如此精确地得到证实。