Hvordan bakteriesamfund transporterer næringsstoffer

Under trussel om at blive skrubbet væk med desinfektionsmiddel, enkelte bakterier kan forbedre deres overlevelseschancer ved at gå sammen om at danne kolonier, kaldet biofilm. Hvad Arnold Mathijssen, postdoktor i bioingeniør ved Stanford University, ønskede at forstå var, hvordan stationære biofilm finder mad, når de har fortæret næringsstoffer i nærheden.

Leder et internationalt team af forskere i at skabe simuleringer af, hvordan væsker bevæger sig, Mathijssen fandt ud af, at individuelle bakterier og biofilm kan generere strømme, der er stærke nok til at trække fjerne næringsstoffer.

I deres arbejde, udgivet 11. december i Fysisk gennemgangsbreve , forskerne var i stand til at finde forudsigelige mønstre for, hvordan væsker bevæger sig baseret på biofilmers generelle former, indsigt, der kunne finde applikationer på mange områder.

"Der er en meget stærk universalitet i de fysiske egenskaber ved mikrohydrodynamik, sagde Mathijssen, der arbejder i laboratoriet i Manu Prakash, lektor i bioingeniør. "Vi har talt om bakterier, men vi kunne erstatte ordet 'organisme' med 'mikro-robot', og fysikken ville være nøjagtig den samme."

Starter enkelt

Når bakterier bevæger sig, de forstyrrer de væsker, der omgiver dem i den mikroskopiske verden. Forskerne undersøgte styrken af ​​denne forstyrrelse i en enkelt bakterie, der bevæger sig på en måde, der ligner mange patogene arter, herunder dem, der forårsager gastritis og kolera. De fandt ud af, at da denne bakterie svømmer frem, det skaber en lille, men stabil strøm i den omgivende væske med væske, der bevæger sig mod midten og væk fra hovedet og halen.

Derefter, de beregnede strømningerne produceret af en koloni af tilfældigt arrangerede bakterier og blev overraskede over at se, at det skabte en stærk, konsekvent tidevand, der er i stand til at trække næringsstoffer til sig. Dette skete uanset orienteringen af ​​hver bakterie, så længe kolonien var tykkere på nogle områder end andre, hvilket får væske til at bevæge sig fra højpunkter til lave punkter. Simuleringer af mere ordnede bakterier resulterede i endnu stærkere cirkulation.

Inden for organiserede biofilm, forskerne fandt to almindelige bevægelsesmønstre:hvirvler og asters. I et hvirvelmønster, bakterierne bevæger sig i koncentriske cirkler og producerer et flow, der bringer næringsstoffer ned til biofilmens centrum og derefter skubber væsken ud af siderne. I et aster mønster, bakterierne bevæger sig mod et centralt punkt, skabe et flow, der bevæger sig fra kanten af ​​biofilmen, indtil det stiger tilbage, over midten.

"Det kraftfulde ved dette er, at du kan tilføje disse mønstre, "Sagde Mathijssen." I stedet for at kende placeringen og orienteringen af ​​hver enkelt bakterie, du behøver kun at kende de grundlæggende mønstre, der udgør kolonien, og så er det meget let at udlede det samlede transportflow. "

Forskerne var i stand til at kombinere hvirvel- og astermønstre i en enkelt biofilm for at bestemme, hvordan bakterierne ville skubbe, træk og hvirvler væskerne omkring dem. Som en sidste test, forskerne tog beregninger, der repræsenterede komplekset, realistisk bevægelse af bakterier, der sværmer - som de kunne på overfladen af ​​et bord - og forudsagde styrken af ​​denne sværms transportstrøm. Resultatet var store hvirvler, der strakte sig over afstande ud over biofilmens grænser, egnet til at holde kolonien fodret.

Se hvad der er skjult

Dette arbejde startede med simpel nysgerrighed om den usynlige strøm af væsker omkring bakterier. Men hvad forskerne opdagede kunne være ganske praktisk - vejledende måder at afskære en infektiøs biofilms fødekilde på, for eksempel. Hvad mere er, fordi den kun tager højde for en bakteries former og bevægelse, forskningen kan også gælde for livløse objekter som f.eks. syntetiske lægemiddelleveringsmekanismer eller mikro-robotter.

"Dette startede som et relativt grundlæggende problem, men viste sig at være mere relevant for biomedicinske applikationer, end vi ville have forudsagt, "Sagde Mathijssen." Det er det, der begejstrer mig:vi faldt lige over en idé om, at af nysgerrighed, drev os i en helt anden retning, end hvor vi startede, og det, vi fandt, har et stort potentiale. "