Onder dreiging weg te worden geschrobd met ontsmettingsmiddel, individuele bacteriën kunnen hun overlevingskansen vergroten door samen te werken om kolonies te vormen, biofilms genoemd. Wat Arnold Mathijssen, postdoctoraal onderzoeker in bio-engineering aan de Stanford University, wilde begrijpen, was hoe stationaire biofilms voedsel vinden nadat ze nabijgelegen voedingsstoffen hebben verslonden.

Leiding geven aan een internationaal team van onderzoekers bij het maken van simulaties van hoe vloeistoffen bewegen, Mathijssen ontdekte dat individuele bacteriën en biofilms stromen kunnen genereren die sterk genoeg zijn om ver verwijderde voedingsstoffen aan te trekken.

In hun werk, gepubliceerd op 11 december in Fysieke beoordelingsbrieven , de onderzoekers waren in staat om voorspelbare patronen te vinden van hoe vloeistoffen bewegen op basis van de algemene vormen van biofilms, inzichten die op velerlei gebied toepassing kunnen vinden.

"Er is een zeer sterke universaliteit in de fysieke eigenschappen van micro-hydrodynamica, " zei Mathijssen, die in het lab van Manu Prakash werkt, universitair hoofddocent bio-engineering. "We hebben het over bacteriën gehad, maar we zouden het woord 'organisme' kunnen vervangen door 'microrobot' en de fysica zou precies hetzelfde zijn."

Eenvoudig beginnen

Als bacteriën bewegen, ze verstoren de vloeistoffen die hen omringen in de microscopische wereld. De onderzoekers onderzochten de kracht van die verstoring in een enkele bacterie die beweegt op een manier die vergelijkbaar is met veel pathogene soorten, inclusief degenen die gastritis en cholera veroorzaken. Ze ontdekten dat als deze bacterie naar voren zwemt, het creëert een kleine maar stabiele stroom in de omringende vloeistof waarbij vloeistof naar het midden beweegt en weg van het hoofd en de staart.

Vervolgens, ze berekenden de stromen geproduceerd door een kolonie willekeurig gerangschikte bacteriën en waren verrast om te zien dat het een sterke, consistent getij dat in staat is voedingsstoffen aan te trekken. Dit gebeurde ongeacht de oriëntatie van elke bacterie, zolang de kolonie in sommige gebieden dikker was dan in andere, waardoor vloeistof van hoge punten naar lage punten gaat. Simulaties van meer geordende bacteriën resulteerden in een nog sterkere circulatie.

Binnen georganiseerde biofilms, de onderzoekers vonden twee veel voorkomende bewegingspatronen:vortexen en asters. In een vortexpatroon, de bacteriën bewegen in concentrische cirkels en produceren een stroom die voedingsstoffen naar het midden van de biofilm brengt en vervolgens de vloeistof naar buiten duwt. In een asterpatroon, de bacteriën bewegen naar een centraal punt, het creëren van een stroom die vanaf de rand van de biofilm beweegt totdat deze weer omhoog komt, boven het centrum.

"Het krachtige hieraan is dat je deze patronen kunt optellen, Mathijssen zei. "In plaats van de positie en oriëntatie van elke bacterie te moeten kennen, je hoeft alleen de basispatronen te kennen waaruit de kolonie bestaat en dan is het heel eenvoudig om de totale transportstroom af te leiden."

De onderzoekers waren in staat om vortex- en asterpatronen binnen een enkele biofilm te combineren om te bepalen hoe de bacteriën zouden duwen, trek en wervel de vloeistoffen om hen heen. Als laatste test, de onderzoekers namen berekeningen die het complex vertegenwoordigen, realistische beweging van zwermen bacteriën - zoals ze zouden kunnen op het oppervlak van een tafel - en voorspelde de sterkte van de transportstroom van die zwerm. Het resultaat waren grote draaikolken die afstanden overspannen buiten de grenzen van de biofilm, geschikt om de kolonie gevoed te houden.

Zien wat er verborgen is

Dit werk begon met een simpele nieuwsgierigheid naar de onzichtbare stroom van vloeistoffen rond bacteriën. Maar wat de onderzoekers ontdekten, zou heel praktisch kunnen zijn - manieren om de voedselbron van een besmettelijke biofilm af te snijden, bijvoorbeeld. Bovendien, omdat het alleen rekening houdt met de vormen en bewegingen van een bacterie, het onderzoek zou ook van toepassing kunnen zijn op levenloze objecten zoals mechanismen voor het afleveren van synthetische medicijnen of microrobots.

"Dit begon als een relatief fundamenteel probleem, maar bleek relevanter voor biomedische toepassingen dan we hadden voorspeld, Mathijssen zei. "Dat is wat me opwindt:we kwamen net op een idee dat, door nieuwsgierigheid, dreef ons in een heel andere richting dan waar we begonnen en wat we vonden heeft veel potentieel."