Bosbewonende bacteriën die bekend staan ​​om het vormen van slijmerige zwermen die op andere microben jagen, kunnen ook samenwerken om paddenstoelachtige overlevingsschuilplaatsen te bouwen die bekend staan ​​​​als vruchtlichamen wanneer voedsel schaars is. Nu heeft een team van Princeton University de fysica ontdekt achter hoe deze staafvormige bacteriën, die zijn uitgelijnd in patronen zoals die op vingerafdrukken en lcd-schermen, bouw de lagen van deze vruchtlichamen. De studie is gepubliceerd in Natuurfysica .

"In sommige opzichten, deze bacteriën leren ons nieuwe soorten natuurkunde, " zei Joshua Shaevitz, hoogleraar natuurkunde en het Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics. "Deze vragen bestaan ​​​​op het snijvlak van natuurkunde en biologie. En je moet beide begrijpen om deze organismen te begrijpen."

Myxococcus xanthus, of kortweg Myxo, is een bacteriesoort die in staat is tot verrassend coöperatief gedrag. Bijvoorbeeld, grote aantallen Myxo-cellen komen samen om op andere bacteriën te jagen door in een enkele golvende massa naar hun prooi te zwermen.

Als voedsel schaars is, echter, de staafachtige cellen stapelen zich op elkaar om squishy gezwellen te vormen die vruchtlichamen worden genoemd, dit zijn schuilplaatsen waar sommige van de Myxo-cellen in sporen veranderen die de populatie opnieuw kunnen opstarten wanneer verse voedingsstoffen arriveren. Maar tot nu toe, wetenschappers hebben niet begrepen hoe de staven het vermogen krijgen om op elkaar te klimmen om de druppelachtige structuren te bouwen.

Om meer te weten te komen over hoe deze bacteriën zich gedragen, de onderzoekers zetten een microscoop op die Myxo's acties in drie dimensies kan volgen. De wetenschappers namen video's op van de staafvormige microben, die dicht op elkaar staan ​​als op hol geslagen gnoes, in zwaden die om elkaar heen dwarrelen over de microscoopschotel rennen, vormen vingerafdruk-achtige patronen.

Wanneer twee zwaden elkaar ontmoeten, observeerden de onderzoekers, het snijpunt was precies waar de nieuwe laag cellen begon te vormen. De bacteriën begonnen zich op te stapelen en creëerden een situatie waarin de enige richting omhoog was.

"We ontdekten dat deze bacteriën bepaalde punten van de celuitlijning exploiteren waar spanningen worden opgebouwd die de kolonie in staat stellen nieuwe cellagen te bouwen, de een boven de ander, " zei Ricard Alert, een postdoctoraal onderzoeker in het Princeton Centre for Theoretical Science en een van de co-eerste auteurs van de studie. "En zo reageert deze kolonie uiteindelijk op de hongerdood."

Onderzoekers noemen de punten waar de massacellen botsen "topologische defecten, " een term die verwijst naar de wiskunde die deze singuliere punten beschrijft. Topologie is de tak van de wiskunde die overeenkomsten vindt tussen objecten zoals theekopjes en donuts, omdat de ene kan worden uitgerekt of vervormd in de andere.

"We noemen deze punten topologisch, want als je van één van deze defecten af ​​wilt komen, je kunt het niet doen door een soepele transformatie - je kunt niet zomaar de uitlijning van de cellen verstoren om van dat punt af te komen waar de uitlijning verloren gaat, "Alert Alert. "Topologie gaat over wat je wel en niet kunt doen via soepele transformaties in de wiskunde."

Myxo-bacteriecellen gedragen zich net als vloeibare kristallen, de vloeistoffen in smartphoneschermen, die zijn gemaakt van staafvormige moleculen. In tegenstelling tot passieve vloeibare kristallen, echter, Myxo-staven leven en kunnen kruipen. De bacteriën zijn hoogstwaarschijnlijk geëvolueerd om te profiteren van zowel passieve als actieve factoren om de vruchtlichamen te bouwen, aldus de onderzoekers.

Catherine Kopenhagen, geassocieerd onderzoeker aan het Lewis-Sigler Institute, en een co-eerste auteur van de studie, nam video's van de cellen onder de microscoop en analyseerde de resultaten. Ze zei dat het team in eerste instantie niet zeker wist waar ze naar keken.

"We probeerden laagvorming in bacteriën te bestuderen om erachter te komen hoe deze cellen deze druppeltjes bouwen, en we hadden net een nieuwe microscoop gekregen, dus ik legde een monster van de bacteriën uit een ander project dat niets te maken had met laagvorming onder de microscoop en beeldde het een paar uur af, ' zei Kopenhagen. 'De volgende keer dat onze groep bij elkaar kwam, Ik zei:'Ik heb deze video, dus laten we er eens naar kijken.' En we waren gebiologeerd door wat we zagen."

De combinatie van natuurkunde- en biologieopleidingen van de onderzoekers stelde hen in staat nieuwe theoretische inzichten te herkennen in hoe de verticale lagen zich vormen. "Het zegt iets over de waarde van de samenwerkingscultuur in Princeton, " zei Ned Wingreen, de Howard A. Prior Professor in de Life Sciences, hoogleraar moleculaire biologie en het Lewis-Sigler Institute. "We chatten met elkaar en delen gekke ideeën en laten interessante data aan elkaar zien."

"Een moment dat ik me heel levendig herinner, "Alert zei, "kijkt deze video's helemaal aan het begin van dit project en begint te beseffen, wacht, vormen lagen precies waar de topologische defecten zijn? Zou het waar kunnen zijn?" Om de resultaten te verkennen, hij volgde de studies op door ze te bevestigen met numerieke en analytische berekeningen.

"Het eerste besef dat alleen al door het kijken van deze films kwam, dat was een gaaf moment, " hij zei.