Хемотаксис

[idelsong]

Многие клетки умеют двигаться в направлении увеличивающейся концентрации нужных веществ или уменьшающейся концентрации ненужных. Эта способность называется хемотаксисом, соответственно, положительным или отрицательным. А вещества, соответственно, называются аттрактантами или репеллентами.

 

 

Эукариотические клетки имеют размер ~ 10 uм. При таком размере они могут почувствовать различие концентраций вещества на разных сторонах клетки и, таким образом, выбрать направление, куда двигаться.

Но бактерия для этого слишком мала. Ее размер ~ 1 uм. Количество молекул вещества, одновременно взаимодействующих с ее поверхностью, можно пересчитать по пальцам. При этом нет никакой возможности решить, с какой стороны клетки их больше. Поэтому для хемотаксиса бактерии используют совершенно другую стратегию. 

У бактерии несколько жгутиков, обычно от 4 до 10. В отличие от эукариотов, которые, если у них есть жгутик, гребут им, как рыба хвостом, бактерии жгутиком крутят. Это едва ли не единственный пример применения колеса в живой природе. Притом бактерия может крутить жгутиком как по часовой стрелке, так и против.

Из http://en.wikipedia.org/wiki/Chemotaxis 

Жгутиков, как я уже сказал, несколько. Причем они не прямые, а изогнутые. Поэтому, если они крутятся против часовой стрелки, то сплетаются в косичку и бактерия движется поступательно. Если же они крутятся по часовой стрелке, то расплетаются, и бактерия кружится на месте. Движение бактерий состоит, таким образом, из чередования поступательного движения, вращения на месте, и нового поступательного движения в произвольном направлении.

Похоже на броуновское движение, только в другом масштабе. Вот здесь можно увидеть небольшой фильм, демонстрирующий движение бактерии. 

Так вот, бактерия мерит изменение концентрации интересующего вещества не в пространстве, а во времени. И процент времени, занятый поступательным движением, зависит от производной концентрации вещества по времени. То есть если в течение поступательного движения бактерия движется в направлении увеличения концентрацией аттрактанта, то ее поступательный пробег будет больше. А если в противоположном направлении – меньше. Таким образом, с течением времени больше бактерий окажется в зоне с большей концентрацией аттрактанта. Вот здесь можно посмотреть небольшой фильм с компьютерной симуляцией движения бактерии в градиенте аттрактанта. Красным обозначены периоды вращения, а белым – периоды поступательного движения. Оба фильма с сайта http://emonet.biology.yale.edu/agentcell. 

Спрашивается, как можно мерить первую производную концентрации? Если не вдаваться в биохимические подробности, дело обстоит так. Аттрактант связывается с рецептором, и это связывание вызывает каскад реакций, удлиняющий время поступательного движения. С другой стороны, он активирует также с некоторым отставанием другой процесс, приводящий к инактивации первого. Таким образом, если концентрация не меняется, то инактивация через некоторое время догоняет активацию. И только если концентрация продолжает расти, инактивация отстает от активации. А если уменьшается – обгоняет. 

Кстати, при такой стратегии бактериям удается двигаться в направлении увеличения концентрации аттрактанта, даже если при этом приходится огибать какие-либо препятствия. 

 

Comments

[dorinem.livejournal.com]

Ужжжасно интересно! Никогда об этом не задумывалась, а какое необычное и элегантно просто решение! Спасибо огромное за пост.

[nomen-nescio.livejournal.com]

Бактерии знают ТРИЗ? :)

[idelsong.livejournal.com]

У бактерий есть свойства, делающие эволюцию генов гораздо более похожей на эволюцию идей: горизонтальный трансфер генов. То есть мы можем получить гены только от папы с мамой, а бактерия - от соседской, совсем не родственной твари.

С появлением биоинформатики и расшифровкой геномов сотен разных бактерий стали понятны масштабы этого явления. Они настолько велики, что надо определять, на что надо смотреть для определения генеалогического родства: только на те гены, без которых ни минуты не прожить. Вот такие, скорее всего, от мамы.

[dorinem.livejournal.com]

Ага, на ьаком уровне я знала, но что именно они "придумали" - это для меня новость, я-то бактериями совсем не занималась.

[crusoe.livejournal.com]

Познавательно! Бактерия меряет производную. Где-то я читал, что птицы пользуются некоторым аналогом трубки Пито-Прандтля. Думаю, впрочем, что бактерия применяет скорее не колесо, но гребной винт.

[idelsong.livejournal.com]

Как бы то ни было, жгутик именно вращается. Если его приклеить к стеклу, будет вращаться бактерия.