De ziekte van malaria wordt veroorzaakt door eencellige parasieten die zich in grote groepen ophopen in de speekselklieren van muggen voordat ze worden overgedragen op de mens. De beperkte ruimte daar verhindert dat ze daadwerkelijk kunnen bewegen, tenzij deze beperking wordt opgeheven door middel van een passende experimentele voorbereiding. In zo'n reeks experimenten hebben onderzoekers van de Universiteit van Heidelberg de ziekteverwekkers in gang gezet en de verkregen beeldgegevens geanalyseerd met behulp van geavanceerde methoden voor beeldverwerking. De gegevens laten zien dat de collectief bewegende ziekteverwekkers vortexsystemen vormen die grotendeels worden bepaald door fysieke principes. Speciale computersimulaties hielpen bij het identificeren van de mechanismen die ten grondslag liggen aan deze roterende bewegingen.

De collectieve beweging van biologische organismen is een veelvoorkomend fenomeen in de natuurlijke wereld. Insecten en vissen, bijvoorbeeld, hebben de neiging om in zwermen te bewegen. Vaak vindt collectieve beweging ook plaats op cellulair niveau, zoals wanneer kankercellen migreren vanuit een tumor of bacteriën een biofilm vormen. De samenwerking van veel individuen kan aanleiding geven tot zogenaamd emergent gedrag - nieuwe kenmerken die anders niet zouden bestaan ​​in deze vorm.

"In de natuurkunde creëert collectiviteit zulke belangrijke processen als faseovergangen, supergeleiding en magnetische eigenschappen", legt prof. dr. Ulrich Schwarz, hoofd van de werkgroep Physics of Complex Biosystems van het Institute for Theoretical Physics van de Universiteit van Heidelberg, uit. In een interdisciplinair onderzoek samen met prof. dr. Friedrich Frischknecht (malaria-onderzoek) en prof. dr. Karl Rohr (biomedische beeldanalyse) heeft hij aangetoond dat collectieve beweging ook kan optreden in Plasmodium, de veroorzaker van malaria.

Het eencellige organisme wordt via een muggenbeet in de huid geïnjecteerd en ontwikkelt zich eerst in de lever en later in het bloed. Omdat Plasmodium in de meeste stadia als een enkele cel fungeert, werden de collectieve eigenschappen tot nu toe nauwelijks bestudeerd. In de speekselklier van de mug heeft de parasiet een lange en gebogen vorm, vergelijkbaar met een halve maan, en staat bekend als een sporozoiet. "Zodra sporozoïeten door de mug in de huid worden geïnjecteerd, beginnen individuele parasieten zich snel naar de bloedvaten te verplaatsen. Dit is de kritieke fase van de infectie, omdat het alleen succesvol is als een ziekteverwekker de bloedbaan bereikt", zegt prof. Frischknecht.

In hun onderzoek aan het Centrum voor Infectieziekten van het Universitair Ziekenhuis van Heidelberg ontdekten Friedrich Frischknecht en zijn team dat de parasieten in geïnfecteerde speekselklieren collectief kunnen worden gemobiliseerd. Hiervoor worden de speekselklieren uit de mug gesneden en voorzichtig tussen twee kleine glasplaatjes geperst. De onderzoekers waren verrast om te ontdekken dat de halvemaanvormige cellen roterende draaikolken vormen in het nieuwe preparaat. Ze doen denken aan de collectieve bewegingen van bacteriën of vissen, hoewel ze verschillen doordat ze altijd in dezelfde richting draaien. De wervels van de parasiet hebben daarom een ​​chiraal karakter en fluctueren - eveneens onverwacht - in grootte. Volgens prof. Frischknecht wijzen deze oscillaties op opkomende kenmerken, omdat ze alleen mogelijk zijn in het collectief van de bewegende cellen en sterker worden in grotere wervels.

Om deze fenomenen nauwkeuriger te begrijpen, werden de experimentele gegevens kwantitatief geanalyseerd. De groepen van Ulrich Schwarz en Karl Rohr, hoofd van de Biomedical Computer Vision Group bij BioQuant Center van de Universiteit van Heidelberg, gebruikten voor dit doel geavanceerde methoden voor beeldverwerking. Ze waren in staat om individuele parasieten in de roterende wervels te volgen en zowel hun snelheid als kromming te meten.

Met behulp van zogenaamde agent-based computersimulaties was het mogelijk om precies die wetten te identificeren die alle aspecten van de experimentele waarnemingen kunnen verklaren. Het samenspel van actieve beweging, gebogen vorm van de cel en chiraliteit in combinatie met mechanische flexibiliteit is voldoende om de sorteer- en oscillatieverschijnselen in de wervels van de parasiet te verklaren. De trillingen die de wetenschappers hebben waargenomen ontstaan ​​doordat de beweging van de afzonderlijke ziekteverwekkers wordt omgezet in elastische energie die wordt opgeslagen in de vortex. "Ons nieuwe modelsysteem biedt de mogelijkheid om de fysica van collectieven met elastische eigenschappen beter te begrijpen en ze in de toekomst misschien bruikbaar te maken voor technische toepassingen", stelt natuurkundige Ulrich Schwarz.

In de volgende stap gaan de onderzoekers onderzoeken hoe de chiraliteit van beweging precies tot stand komt. De structuur van sporozoïeten suggereert verschillende mogelijkheden die kunnen worden bestudeerd in experimenten met genetische mutaties. Eerste computersimulaties hebben al aangetoond dat de rechts- en linksdraaiende parasieten snel scheiden en afzonderlijke vortexsystemen genereren. Een beter begrip van de onderliggende moleculaire mechanismen zou nieuwe wegen kunnen openen om de beweging van sporozoïeten bij het begin van elke malaria-infectie te verstoren. "In elk geval heeft onze studie aangetoond dat de mechanica van de pathogenen een uiterst belangrijke en tot nu toe over het hoofd geziene rol speelt - een bevinding die ook nieuwe perspectieven opent voor medische interventies", zegt Frischknecht.

Het onderzoekswerk werd uitgevoerd in het kader van het Collaborative Research Center 1129, "Integrative Analysis of Pathogen Replication and Spread", gevestigd aan de medische faculteit van Heidelberg van de Universiteit van Heidelberg. De resultaten van de interdisciplinaire studie zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics . + Verder verkennen

Onderzoekers gebruiken optogenetica en wiskundige modellering om een ​​centraal molecuul in celmechanica te identificeren