Fraktale mønstre i voksende bakteriekolonier

Som mange mennesker vil huske fra undervisning i naturfag, bakterier, der vokser på faste overflader, danner kolonier, der let kan ses med det blotte øje. Hver af disse er et komplekst biologisk system i sig selv; kolonier udviser kollektiv adfærd, der indikerer en slags 'social intelligens' og vokser i fraktale mønstre, der kan minde om snefnug. På trods af denne kompleksitet, kolonivækst kan modelleres ved hjælp af principper for grundlæggende fysik. Lautaro Vassallo og hans kolleger på Universidad Nacional de Mar del Plata, Argentina har modelleret en sådan vækst ved hjælp af en ny metode, hvor hver af bakteriernes adfærd simuleres separat. Dette værk er nu udgivet i European Physical Journal B .

En bakteriekoloni vokser fra en enkelt celle, så alle bakterier er genetisk ens kloner af den oprindelige celle. Vassallo og hans team simulerede dette vækstmønster på computere, mens de varierede forskellige parametre:'biologiske', såsom celledelingshastigheden og tilgængeligheden af ​​næringsstoffer, såvel som 'fysiske' dem såsom de mekaniske kræfter mellem naboceller. Deres resultater stemte meget godt overens med mønstre, der er blevet observeret eksperimentelt. I simuleringen, som i naturen, alle kolonier begyndte som kompakte runde klatter med de snefnuglignende fraktale mønstre, der dukkede op på et senere tidspunkt.

Forskerne brugte en multi-fraktal analyseteknik til at beskrive de mønstre, der produceres af en bestemt type bakteriel bevægelse:glidning. Det betyder, at bakterierne ikke bevæger sig uafhængigt, men skubber hinanden i kolonien ved at dele og konkurrere om det samme rum. Dette er kun en af ​​mindst seks veldefinerede typer af bakteriel bevægelse, men det er særligt vigtigt, da kolonier bruger det til at danne vedvarende og medicinsk udfordrende biofilm. Vassallo og hans medarbejdere forventer at anvende deres teknik til at simulere de andre bevægelsestyper, imidlertid, og endda til modellering af kommunikation mellem bakterier i en koloni.