De natuur zit vol patronen. Onder hen zijn tegelpatronen, die lijken op wat je zou zien op een betegelde badkamervloer, gekenmerkt door zowel tegels als interfaces - zoals voegmiddel - ertussen. In de natuur is de kleur van een giraf een voorbeeld van een tegelpatroon. Maar waardoor worden deze natuurlijke patronen gevormd?

Een nieuwe studie van de Universiteit van Arizona gebruikt bacteriën om te begrijpen hoe tegels en interfaces tot stand komen. De bevindingen hebben implicaties voor het begrijpen van hoe complex, meercellig leven op aarde zou kunnen zijn geëvolueerd en hoe nieuwe biomaterialen kunnen worden gemaakt uit biologische bronnen.

In veel biologische systemen zijn tegelpatronen functioneel belangrijk. De vleugels van een vlieg hebben bijvoorbeeld tegels en interfaces. Aders, die voor stabiliteit zorgen en zenuwen bevatten, zijn interfaces die een vleugel opbreken in kleinere tegels. En bij mensen bevat het netvlies aan de achterkant van het binnenoog cellen die zijn gerangschikt als een mozaïek van tegels om te verwerken wat zich in ons gezichtsveld bevindt.

Er is veel onderzoek gedaan naar hoe dergelijke patronen kunnen worden vastgesteld door middel van biochemische interacties. Patronen kunnen echter ook worden vastgesteld door middel van mechanische interacties. Dat proces wordt niet zo goed begrepen.

Een nieuw artikel gepubliceerd in Nature werpt nieuw licht op mechanische patroonvorming. Het werd geleid door voormalig UArizona postdoctoraal fellow Honesty Kim. Ingmar Riedel-Kruse, universitair hoofddocent bij de afdeling Moleculaire en Cellulaire Biologie van de UArizona, is de senior auteur van het artikel.

Het Riedel-Kruse-lab heeft, in samenwerking met onderzoekers van de afdeling Toegepaste Wiskunde van het Massachusetts Institute of Technology, bacteriën gebruikt om te modelleren hoe tegelpatronen kunnen ontstaan ​​door mechanische interacties.

Het team ontwikkelde verschillende hechtende of kleverige moleculen die op het oppervlak van bacteriële cellen werden geplaatst, waardoor verschillende celtypen selectief aan elkaar konden kleven. Toen deze veranderde bacteriën vervolgens op een petrischaal werden geplaatst, begonnen de bacteriën naar elkaar toe te groeien. Telkens wanneer twee verschillende bacterietypes elkaar ontmoetten, werd een grensvlak gevormd of niet, afhankelijk van of hun oppervlakteadhesiemoleculen complementair waren of niet. Interfaces waren meestal een halve millimeter breed en drie tot tien millimeter lang en bevatten miljoenen bacteriën. Veel van dergelijke interfaces resulteerden vervolgens in een verscheidenheid aan complexe tegelpatronen, afhankelijk van de initiële bacteriële plaatsingen op de petrischaal.

De auteurs onderzochten vervolgens welke soorten tegelpatronen konden worden gegenereerd en of er een onderliggende logica bestaat. Ze ontdekten dat slechts vier verschillende lijmmoleculen voldoende zijn om elk mogelijk tegelpatroon te maken. Tegelpatronen kunnen variëren in vorm, grootte en positie van de interfaces.

"We hebben dit wiskundig bewezen met de beroemde vierkleurenkaartstelling, die stelt dat er niet meer dan vier kleuren nodig zijn om ervoor te zorgen dat twee ontroerende landen op een politieke kaart niet dezelfde kleur hebben," zei Riedel-Kruse.

De onderzoekers hebben op deze manier veel verschillende patronen gegenereerd, waaronder een die interfaces gebruikte om "U of A" voor de Universiteit van Arizona te spellen.

De ideeën die in de paper worden voorgesteld, kunnen uiteindelijk leiden tot praktische toepassingen.

Wetenschappers zouden biomaterialen met patronen kunnen maken - die zijn gemaakt van levende wezens en sneller kunnen worden afgebroken dan synthetische materialen zoals plastic - met de gewenste eigenschappen. Ze kunnen bijvoorbeeld een materiaal maken met een specifiek patroon dat kan bepalen hoe gemakkelijk vloeistof over het oppervlak van het materiaal stroomt.

"Met behulp van de logica van dit onderzoek kunnen de vorm, structuur, elasticiteit en zelfs hoe vloeistof reageert - in het materiaal gaan of worden afgestoten - worden gecontroleerd", zei Riedel-Kruse. "Of denk aan microbiële biofabrieken voor de productie van medicijnen en andere chemicaliën. We zouden kunnen controleren waar verschillende bacteriën ten opzichte van elkaar worden geplaatst om verschillende delen van een complexe reactie uit te voeren."

Het feit dat er slechts vier verklevingen nodig zijn om vrijwel alle mogelijke tegelpatronen te creëren, biedt ook nieuwe perspectieven op hoe complex meercellig leven op aarde zou kunnen zijn geëvolueerd vanuit eencellig leven.

"De bevinding dat vier verschillende verklevingen voldoende zijn om zeer uiteenlopende tegelpatronen van het leven te creëren, suggereert dat zodra er voldoende adhesieve componenten beschikbaar waren, de ontwikkelingsbiologie veel nieuwe vormen zou kunnen genereren," zei Riedel-Kruse.