Forskare från Graduate School of Information Science and Technology vid University of Tokyo beräknade effektiviteten hos det sensoriska nätverk som bakterier använder för att gå mot mat och fann att det var optimalt ur informationsteori. Detta arbete kan leda till en bättre förståelse av bakteriellt beteende och deras sensoriska nätverk.

Trots att de är encelliga organismer, bakterier som E. Coli kan utföra några imponerande bedrifter av avkänning och anpassning i ständigt förändrade miljöförhållanden. Till exempel, dessa bakterier kan känna närvaron av en kemisk gradient som anger matriktningen och röra sig mot den. Denna process kallas kemotaxi, och har visat sig vara anmärkningsvärt effektiv, både för dess höga känslighet för små förändringar i koncentrationen och för dess förmåga att anpassa sig till bakgrundsnivåer. Dock, frågan om detta är det bästa möjliga avkänningssystem som kan existera i bullriga miljöer, eller en suboptimal evolutionär kompromiss, har inte fastställts.

Nu, forskare från University of Tokyo har visat att standardmodellen som biologer använder för att beskriva bakteriell kemotaxi är, faktiskt, matematiskt ekvivalent med den optimala dynamiken. I denna ram, receptorer på bakteriens yta kan moduleras av närvaron av målmolekylerna, men detta signalnätverk kan påverkas av slumpmässigt brus. När bakterierna bestämmer om de simmar mot eller bort från maten, de kan anpassa sitt simbeteende därefter.

"E. coli kan antingen röra sig i en rak linje eller slumpmässigt omorientera via tumling. Genom att minska tumlens frekvens när den känner av en positiv attraktions -koncentrationsgradient, bakterien kan företrädesvis röra sig mot maten, "säger författaren Kento Nakamura.

Med hjälp av olinjär filtreringsteori, som är en gren av informationsteori som handlar om uppdatering av information baserad på en ström av information i realtid, forskarna visade att systemet som används av bakterier verkligen är optimalt.

"Vi finner att det bästa möjliga brusfiltreringssystemet sammanfaller med den biokemiska modellen för E. coli sensoriska system, "förklarar seniorförfattaren Tetsuya J. Kobayashi.

Resultaten av denna forskning kan också tillämpas på sensoriska system i andra organismer, såsom G-proteinkopplade receptorer som används för syn. Eftersom alla levande system måste kunna känna och reagera på sina miljöer, detta projekt kan hjälpa till att utvärdera effektiviteten av informationsfiltrering mer allmänt.