Reprodução da quimiotaxia bacteriana por um

Oct 22, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8173 (2023) Citar este artigo

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O comportamento táxi como resposta a um estímulo externo é uma função fundamental dos organismos vivos. Algumas bactérias implementam com sucesso a quimiotaxia sem controlar diretamente a direção do movimento. Eles alternam periodicamente entre corrida e tombo, ou seja, movimento reto e mudança de direção, respectivamente. Eles sintonizam seu período de corrida dependendo do gradiente de concentração de atrativos ao seu redor. Consequentemente, eles respondem a um gradiente de concentração suave estocasticamente, que é chamado de "quimiotaxia bacteriana". Neste estudo, tal resposta estocástica foi reproduzida por um objeto automotor não vivo. Usamos um disco de fenantrolina flutuando em uma solução aquosa de Fe\(^{2+}\). O disco alternava espontaneamente entre movimento rápido e repouso, semelhante ao movimento de corrida e queda das bactérias. A direção do movimento do disco foi isotrópica independente do gradiente de concentração. No entanto, a probabilidade existente do objeto autopropelido foi maior na região de baixa concentração, onde o comprimento do percurso foi maior. Para explicar o mecanismo subjacente a esse fenômeno, propusemos um modelo matemático simples que considera caminhantes aleatórios cujo comprimento de corrida depende da concentração local e direção do movimento contra o gradiente. Nosso modelo adota funções determinísticas para reproduzir os dois efeitos, o que é diferente do ajuste estocástico do período de operação usado nos relatórios anteriores. Isso nos permite analisar matematicamente o modelo proposto, o que indica que nosso modelo reproduz tanto a quimiotaxia positiva quanto a negativa dependendo da competição entre o efeito da concentração local e seu efeito gradiente. Devido ao viés direcional recém-introduzido, as observações experimentais foram reproduzidas numérica e analiticamente. Os resultados indicam que a resposta de viés direcional ao gradiente de concentração é um parâmetro essencial para determinar a quimiotaxia bacteriana. Esta regra pode ser universal para a resposta estocástica de partículas autopropulsadas em sistemas vivos e não vivos.

As bactérias respondem aos gradientes de concentração química ambiental e tendem a nadar para regiões com condições adequadas1,2,3. No entanto, o tamanho das bactérias é muito pequeno para detectar diferenças na concentração em torno de seus corpos4. Este paradoxo foi explicado usando a teoria estatística. Com base nessa teoria, a quimiotaxia pode ser observada estocasticamente mesmo se a direção de natação das bactérias for isotrópica5,6,7,8. Essas abordagens teóricas foram construídas com base nas características das bactérias observadas experimentalmente9,10,11. As bactérias mostram movimentos periódicos de "correr" e "cair" (Fig. 1a). Em outras palavras, eles alternam entre movimento balístico (correr) e mudança de direção (queda). As bactérias sintonizam o período de execução dependendo da mudança temporal na concentração química ao seu redor durante a execução, o que produz um gradiente ascendente ou descendente. Isso leva à sua reunião estocástica em regiões com condições adequadas.

Objetos autopropulsados ​​não vivos também apresentam quimiotaxia, porém, na maioria dos casos, eles mudam diretamente sua direção de movimento em resposta ao gradiente ambiental12,13,14,15. Esse comportamento difere significativamente do das bactérias e pode não funcionar bem se o tamanho do corpo diminuir devido ao efeito de flutuação. Portanto, uma quimiotaxia bacteriana é uma estratégia crucial para tamanhos de sistema menores, mesmo para objetos automotores não vivos. Apesar de não correr e cair, Sen e Velegol et al. relataram um exemplo de tal quimiotaxia em que partículas de metal de tamanho micro podem ajustar sua velocidade de movimento dependendo da concentração de H\(_2\)O\(_2\), resultando no acúmulo de partículas em regiões de alta concentração16. Isso pode ser entendido pelo mecanismo de quimiotaxia dependente da velocidade17.