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Quando as bactérias interagem, elas emitem sinais celulares que podem desencadear uma resposta em seus vizinhos, fazendo com que se comportem de maneiras diferentes ou produzam substâncias diferentes. Por exemplo, eles podem se comunicar para coordenar o movimento longe do perigo ou emitir luz para afastar os predadores.
Em uma nova pesquisa publicada pela Relatórios Biofísicos, pesquisadores da Florida State University e da Cleveland State University apresentam um modelo matemático que explica como as bactérias se comunicam dentro de um ecossistema maior. Ao entender como esse processo funciona, os pesquisadores podem prever quais ações podem provocar certas respostas ambientais de uma comunidade bacteriana.
“Normalmente, os modelos de bactérias em ambientes sintéticos envolvem muitas, muitas equações que descrevem muitas, muitas coisas, mas não são realmente flexíveis para diferentes aplicações”, disse o coautor Bhargav Karamched, professor assistente do Departamento de Matemática da FSU e do Instituto de Biofísica Molecular. “O que meus colaboradores e eu fizemos foi criar um modelo matemático flexível que pode ser aplicado a uma variedade de configurações experimentais.”
Modelos como o desenvolvido pela equipe de Karamched ajudam a prever como essas comunidades bacterianas coordenam a atividade, permitindo que os designers ajustem os parâmetros de uma comunidade, como o tamanho da população de diferentes tipos de bactérias ou loops de feedback, e os adaptem para diferentes propósitos. Por exemplo, em uma população de dois tipos de bactérias, ter mais de um tipo de bactéria pode ser perigoso para um organismo hospedeiro, enquanto ter mais do outro pode ser benéfico. Obter a mistura certa é crucial, e os modelos ajudam os pesquisadores a projetar e analisar as comunidades bacterianas que eles criam.
“O que falta na biologia sintética agora são esses modelos gerais e flexíveis que estão prontos para uso”, disse Karamched. “Isso pode não capturar todos os detalhes em uma comunidade de bactérias, mas ainda captura a estrutura geral do que está acontecendo. Cientistas e engenheiros podem usar isso para comparar com seu trabalho experimental e seguir em frente.”
Os pesquisadores também testaram seu modelo contra pesquisas publicadas anteriormente que examinaram como as bactérias se comunicam em grandes lacunas espaciais. A pesquisa anterior descobriu que as bactérias só precisavam de um loop de feedback positivo para sinalizar umas às outras. Mas o modelo de Karamched e seus colaboradores prevê que a taxa de produção de moléculas sinalizadoras também deve estar dentro de uma faixa específica para que ocorra a coordenação.
“Este modelo estabelece as bases para uma ampla gama de experimentos futuros testando diferentes interações de tensão e geometrias”, disse o coautor Shawn Ryan, professor associado do Departamento de Matemática e Estatística e codiretor do Centro de Análise de Dados Aplicados. e Modelagem na Cleveland State University.
Ryan Godin, ex-aluno da Cleveland State University e atual aluno de doutorado em engenharia química da Iowa State University, foi o principal autor deste artigo.
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