비에 의한 세균 주화성 재현

Oct 22, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8173(2023) 이 기사 인용

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외부 자극에 대한 반응으로서의 세금 행동은 살아있는 유기체의 기본 기능입니다. 일부 박테리아는 이동 방향을 직접 제어하지 않고도 주화성을 성공적으로 구현합니다. 그들은 주기적으로 달리기와 공중제비를 번갈아 가며, 즉 직선 이동과 방향 전환을 반복합니다. 그들은 주변 유인물질의 농도 구배에 따라 달리기 기간을 조정합니다. 결과적으로 그들은 "세균 주화성"이라고 불리는 완만한 농도 구배에 확률론적으로 반응합니다. 본 연구에서는 그러한 확률론적 반응이 무생물 자체 추진 물체에 의해 재현되었습니다. 우리는 Fe\(^{2+}\) 수용액 위에 떠 있는 페난트롤린 디스크를 사용했습니다. 디스크는 박테리아의 뛰고 굴러가는 움직임과 유사하게 빠른 움직임과 휴식 사이를 자발적으로 번갈아 가며 나타납니다. 디스크의 이동 방향은 농도 구배와 무관하게 등방성이었습니다. 그러나 주행거리가 긴 저농도 지역에서 자주체의 존재 확률이 높았다. 이 현상의 기본 메커니즘을 설명하기 위해 우리는 달리기 길이가 경사도에 대한 로컬 집중 및 이동 방향에 따라 달라지는 랜덤 워커를 고려하는 간단한 수학적 모델을 제안했습니다. 우리 모델은 이전 보고서에서 사용된 작동 기간을 확률론적으로 조정하는 대신 두 효과를 재현하기 위해 결정론적 기능을 채택합니다. 이를 통해 제안된 모델을 수학적으로 분석할 수 있으며, 이는 우리 모델이 국소 농도 효과와 기울기 효과 간의 경쟁에 따라 양성 및 음성 주화성을 모두 재현한다는 것을 나타냅니다. 새로 도입된 방향 편향으로 인해 실험적 관찰은 수치적으로나 분석적으로 재현되었습니다. 결과는 농도 구배에 대한 방향성 편향 반응이 세균의 주화성을 결정하는 데 필수적인 매개변수임을 나타냅니다. 이 규칙은 생물계와 무생물계에서 자체 추진 입자의 확률론적 반응에 보편적일 수 있습니다.

박테리아는 환경의 화학적 농도 구배에 반응하고 적절한 조건이 있는 지역으로 헤엄치는 경향이 있습니다1,2,3. 그러나 박테리아의 크기는 너무 작아서 몸 주변의 농도 차이를 감지할 수 없습니다4. 이 역설은 통계 이론을 사용하여 설명되었습니다. 이 이론을 바탕으로 박테리아의 유영 방향이 등방성인 경우에도 확률론적으로 화학주성을 관찰할 수 있습니다. 이러한 이론적 접근법은 실험적으로 관찰된 박테리아의 특성을 기반으로 구성되었습니다9,10,11. 박테리아는 주기적인 "실행" 및 "텀블링" 동작을 보여줍니다(그림 1a). 즉, 탄도 운동(실행)과 방향 변경(텀블)을 번갈아 가며 수행합니다. 박테리아는 실행 중에 주변 화학 물질 농도의 시간적 변화에 따라 실행 기간을 조정하여 상향 또는 하향 기울기를 생성합니다. 이로 인해 적절한 조건이 있는 지역에 확률론적으로 집합하게 됩니다.

무생물 자체 추진 물체도 주화성을 나타내지만 대부분의 경우 환경 구배에 반응하여 운동 방향을 직접 변경합니다. 이 동작은 박테리아의 동작과 크게 다르며 변동 효과로 인해 신체 크기가 감소하면 제대로 작동하지 않을 수 있습니다. 따라서 박테리아 주화성은 무생물 자체 추진 물체의 경우에도 더 작은 시스템 크기를 위한 중요한 전략입니다. 달리고 넘어지는 것은 아니지만 Sen과 Velegol et al. 미세 크기의 금속 입자가 H\(_2\)O\(_2\)의 농도에 따라 이동 속도를 조정할 수 있어 고농도 영역에서 입자가 축적되는 주화성의 예를 보고했습니다. 이는 속도 의존성 주화성 메커니즘으로 이해할 수 있습니다.