Учёные Университета Иннополис разработали модель для прогнозирования эволюции бактериальных биоплёнок

25 августа 2026

Учёные Университета Иннополис разработали модель для прогнозирования эволюции бактериальных биоплёнок

25 августа 2026

Научные сотрудники Лаборатории компьютерного моделирования и интеллектуального анализа сложных систем российского ИТ-вуза совместно с коллегами из Мюнхенского технического университета создали гибридную математическую модель, которая позволяет изучать формирование и рост бактериальных биоплёнок. Модель служит основой для компьютерных экспериментов по изучению контроля и диагностики формируемых структур, что важно для разработки новых подходов к борьбе с бактериальными инфекциями и для контроля биообрастания промышленного оборудования.

По словам исследователей, биоплёнки — это устойчивая и самая распространённая форма существования бактерий, прикреплённых к поверхности и защищённых самопроизводимой внеклеточной матрицей. Благодаря внутренней коммуникации бактерии опасных видов приобретают свойства, которых нет у одиночных клеток, — например, способность объединяться и противостоять воздействию лекарств. Механизм «чувства кворума» помогает им формировать биоплёнки и становиться устойчивыми к антибиотикам. Эта проблема сегодня признана одной из главных угроз глобальной биологической безопасности.

Предложенная учёными математическая модель сочетает клеточный автомат, который воспроизводит пространственную структуру биоплёнки на гексагональной решётке, с дискретными аналогами уравнений реакции-диффузии для питательных веществ и сигнальных молекул. 

Самвел Саруханян, младший научный сотрудник Лаборатории компьютерного моделирования и интеллектуального анализа сложных систем Университета Иннополис: «Особенность нашей концепции заключается в модельной реализации двунаправленной связи между эволюцией биомассы и механизмом кворум-регуляции — системы бактериальной коммуникации, при которой клетки “общаются” друг с другом с помощью сигнальных молекул, координируя поведение в зависимости от плотности популяции. Новая модель позволяет увидеть, как именно локальные взаимодействия бактерий и ограниченные ресурсы среды формируют макроскопическую архитектуру биоплёнки».

Результаты моделирования воспроизвели различные режимы роста биоплёнок — от разреженных разветвлённых колоний до плотных структур со сплошным фронтом. Двухпараметрический анализ показал, что эффективный порог активации кворум-сенсинга зависит от доступности питательных веществ: чем их меньше, тем раньше срабатывает бактериальная «система оповещения».

Кроме того, модель генерирует биологически правдоподобный переходный профиль накопления сигнальных молекул — с ростом концентрации, достижением максимума и последующим снижением.

Анна Масловская, профессор Факультета компьютерных и инженерных наук, научный руководитель Лаборатории компьютерного моделирования и интеллектуального анализа сложных систем Университета Иннополис: «Наша лаборатория занимается развитием математических и компьютерных моделей самоорганизованного поведения микробиологических систем. Это перспективное и междисциплинарное направление практически не представлено в России, тогда как в мировой науке оно активно продвигается. Компьютерные модели и виртуальные исследования, в том числе предложенные в этой работе, служат основой для определения оптимальных стратегий антибиотикотерапии, использования альтернативных антибиотиков, применения ИИ-инструментов для ускорения расчётов и построения цифровых двойников бактериальных систем».

Результаты работы опубликовал авторитетный международный журнал «Компьютеры в биологии и медицине» (Computers in Biology and Medicine). Авторы статьи «Гибридная модель на основе клеточного автомата для эволюции биоплёнок, управляемой кворум-сенсингом» — учёные Университета Иннополис Самвел Саруханян и Анна Масловская, а также Кристина Куттлер из Мюнхенского технического университета.