Sociale bakterier bygger beskyttelsesrum ved hjælp af fingeraftryks fysik

Skovlevende bakterier kendt for at danne slimede sværme, der byder på andre mikrober, kan også samarbejde om at bygge svampelignende overlevelseshjem, kendt som frugtlegemer, når fødevarer er knappe. Nu har et team ved Princeton University opdaget fysikken bag, hvordan disse stavformede bakterier, der justeres i mønstre som dem på fingeraftrykshvirveler og flydende krystaldisplays, bygge lagene af disse frugtlegemer. Undersøgelsen blev offentliggjort i Naturfysik .

"På nogle måder, disse bakterier lærer os nye former for fysik, "sagde Joshua Shaevitz, professor i fysik og Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics. "Disse spørgsmål eksisterer i skæringspunktet mellem fysik og biologi. Og du skal forstå begge dele for at forstå disse organismer."

Myxococcus xanthus, eller Myxo for kort, er en bakterieart i stand til overraskende kooperativ adfærd. For eksempel, et stort antal Myxo -celler kommer sammen for at jage andre bakterier ved at sværme mod deres bytte i en enkelt bølgende masse.

Når maden er knap, imidlertid, de stavlignende celler stabler oven på hinanden for at danne squishy vækster kaldet frugtlegemer, som er skjulte steder, hvor nogle af Myxo -cellerne omdannes til sporer, der er i stand til at genstarte befolkningen, når der kommer friske næringsstoffer. Men indtil nu, forskere har ikke forstået, hvordan stængerne erhverver evnen til at begynde at klatre oven på hinanden for at bygge dråplignende strukturer.

For at finde ud af mere om, hvordan disse bakterier opfører sig, forskerne opsatte et mikroskop, der var i stand til at spore Myxos handlinger i tre dimensioner. Forskerne optog videoer af de stavformede mikrober, som pakker tæt sammen som stampende gnuer, farende hen over mikroskopfadet i skår, der hvirvler rundt om hinanden, danner fingeraftrykslignende mønstre.

Når to skår mødes, forskerne observerede, skæringspunktet var præcis, hvor det nye lag af celler begyndte at danne. Bakterierne begyndte at hobe sig op og skabte en situation, hvor den eneste retning at gå var op.

"Vi fandt ud af, at disse bakterier udnytter bestemte punkter i cellelinjering, hvor spændinger bygger, der gør det muligt for kolonien at konstruere nye cellelag, den ene oven på den anden, "sagde Ricard Alert, en postdoktor i Princeton Center for Teoretisk Videnskab og en af ​​undersøgelsens første forfattere. "Og det er i sidste ende, hvordan denne koloni reagerer på sult."

Forskere kalder de punkter, hvor massecellerne kolliderer "topologiske defekter, "et udtryk, der refererer til den matematik, der beskriver disse entallige punkter. Topologi er den gren af ​​matematik, der finder ligheder mellem objekter såsom tekopper og donuts, fordi den ene kan strækkes eller deformeres til den anden.

"Vi kalder disse punkter topologiske, fordi hvis du vil slippe af med en enkelt af disse defekter, du kan ikke gøre det ved en jævn transformation - du kan ikke bare forstyrre cellernes justering for at slippe af med det punkt, hvor justeringen går tabt, "Alert sagde." Topologi handler om, hvad du kan og ikke kan gøre via glatte transformationer i matematik. "

Myxo bakterieceller opfører sig meget som flydende krystaller, de væsker, der findes i smartphoneskærme, som er lavet af stavformede molekyler. I modsætning til passive flydende krystaller, imidlertid, Myxo -stænger lever og kan kravle. Bakterierne har sandsynligvis udviklet sig til at drage fordel af både passive og aktive faktorer til at bygge frugtlegemerne, sagde forskerne.

Katherine København, associeret forsker i Lewis-Sigler Institute, og en medforfatter til undersøgelsen, tog videoer af cellerne under mikroskopet og analyserede resultaterne. Hun sagde, at teamet først ikke var sikker på, hvad de så på.

"Vi forsøgte at studere lagdannelse i bakterier for at finde ud af, hvordan disse celler bygger disse dråber, og vi havde lige fået et nyt mikroskop, så jeg lagde en prøve af bakterierne fra et andet projekt, der ikke havde noget med lagdannelse at gøre under mikroskopet og afbildede det i et par timer, "Sagde København." Næste gang vores gruppe kom sammen, Jeg sagde 'jeg har denne video, så lad os se på det. ' Og vi blev betaget af det, vi så. "

Kombinationen af ​​fysik og biologitræning blandt forskerne gjorde dem i stand til at genkende nye teoretiske indsigter i, hvordan de lodrette lag dannes. "Det siger noget om værdien af ​​samarbejdskulturen i Princeton, "sagde Ned Wingreen, Howard A. Tidligere professor i biovidenskab, professor i molekylærbiologi og Lewis-Sigler Institute. "Vi chatter med hinanden og deler skøre ideer og viser interessante data til hinanden."

"Et øjeblik, jeg husker ganske tydeligt, "Alert sagde, "ser disse videoer i begyndelsen af ​​dette projekt og begynder at indse, vente, dannes lag præcis der, hvor de topologiske defekter er? Kan det være sandt? "For at undersøge resultaterne, han fulgte undersøgelserne op ved at bekræfte dem med numeriske og analytiske beregninger.

"Den første erkendelse, der kom bare ved at se disse film, det var et køligt øjeblik, " han sagde.