Je kunt het elke keer zien als je een douche neemt:kleine waterdruppels voegen zich samen om grotere en grotere druppels te vormen - totdat ze zo zwaar zijn dat ze langs de muur naar beneden lopen. Wetenschappers noemen dit fenomeen samensmelting van het dagelijkse leven, wat verrassend genoeg ook de sleutel verschaft tot het begrijpen hoe bacteriën kolonies vormen. Onderzoekers van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), het Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin (MPZPM) in Erlangen en het Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems in Dresden (MPI-PKS) zijn er nu in geslaagd een statistisch model te ontwikkelen om de formatie te beschrijven, dynamiek en mechanica van dergelijke celassemblages. Ze hebben hun resultaten gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Wanneer bacteriën nieuwe gebieden veroveren, een van hun eerste taken is om samen te komen en microscopisch kleine kolonies te vormen. Binnen deze gemeenschappen de micro-organismen zijn beter beschermd tegen krachten, antibiotica en andere negatieve invloeden dan alleenstaanden - en dus gevaarlijker voor mensen en andere organismen. Dit geldt ook voor gonokokken (Neisseria gonorrhoeae), die binnen enkele uren bolvormige celclusters vormen op de menselijke (slijm)huid, bestaande uit enkele duizenden eencellige organismen. Deze structuren zijn de eigenlijke pathogene eenheden, de oorzaak van 's werelds tweede meest voorkomende seksueel overdraagbare aandoening, gonorroe.

Net als veel andere bacteriën, N. gonorrhoeae heeft lange, mobiel, draadachtige extensies. Ze gebruiken deze pili om zich aan oppervlakken vast te klampen en zich te verplaatsen. De aanhangsels werken ook met elkaar in wisselwerking en verbinden actief met elkaar om kolonies te vormen. Onder de microscoop gezien, dit proces lijkt op het samensmelten van waterdruppels.

Celextensies bepalen in belangrijke mate de eigenschappen van bacteriekolonies

In een gezamenlijk project onder leiding van postdoc Dr. Hui-Shun Kuan (FAU), voormalig Ph.D. student Wolfram Pönisch (nu postdoc aan de Universiteit van Cambridge), Professor Frank Jülicher (MPI-PKS) en Professor Vasily Zaburdaev, houder van de leerstoel wiskunde in de levenswetenschappen aan de FAU en lid van de wetenschappelijke raad van de MPZPM, hebben een theorie ontwikkeld om deze processen te beschrijven met behulp van methoden uit de statistische fysica. Als uitgangspunt van hun model, ze maken gebruik van de krachten die via de pili tussen de bacteriën worden uitgeoefend. Op deze manier, ze slaagden erin de ontwikkeling van kolonies wiskundig te reconstrueren. Het proces is analoog aan de condensatie van een vloeistof of de scheiding van twee fasen, zoals water en olie. Wanneer het aantal microben per oppervlakte-eenheid een bepaalde limiet overschrijdt, ze komen spontaan samen en vormen een dichte druppel omringd door slechts enkele individuele cellen.

Deze celdruppeltjes zijn visco-elastisch:ze reageren elastisch op snelle vervorming en bewegen als een stroperige vloeistof gedurende langere tijd. Het respectieve gedrag dat ze vertonen hangt af van of het netwerk van verweven pili voldoende tijd heeft om zichzelf te herschikken. Het model van de onderzoekers laat zien welke centrale rol deze draadachtige projecties spelen bij de vorming van kolonies en hoe ze hun mechanische eigenschappen bepalen.

De bevindingen kunnen worden gegeneraliseerd en ook gebruikt om de mechanica en dynamiek van dichte celassemblages zoals solide tumoren of weefsel te beschrijven. De theorie kan artsen dus helpen potentiële doelwitten te identificeren om de vorming van bacteriekolonies of tumoren met nieuwe actieve stoffen te vertragen of zelfs te stoppen.