Ny matematisk model:Hvordan farlige bakterier danner kolonier

Det kan observeres hver gang du går i bad:Små dråber vand går sammen og danner større og større dråber - indtil de er så tunge, at de løber ned ad væggen. Forskere kalder dette fænomen i dagligdagen for koalescens-hvilket overraskende også giver nøglen til at forstå, hvordan bakterier danner kolonier. Forskere ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin (MPZPM) i Erlangen og Max Planck Institute for Physics of Complex Systems i Dresden (MPI-PKS) er nu lykkedes med at udvikle en statistisk model til at beskrive dannelsen, dynamik og mekanik i sådanne cellesamlinger. De har offentliggjort deres resultater i det prestigefyldte tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

Når bakterier erobrer nye territorier, en af ​​deres første opgaver er at slutte sig sammen og danne mikroskopiske kolonier. Inden for disse fællesskaber, mikroorganismerne er bedre beskyttet mod kræfter, antibiotika og andre negative påvirkninger end enkeltindivider - og dermed farligere for mennesker og andre organismer. Dette gælder også gonokokker (Neisseria gonorrhoeae), som danner sfæriske celleklynger på menneskelig (slim) hud inden for timer, bestående af flere tusinde encellede organismer. Disse strukturer er de faktiske patogene enheder, årsagen til verdens næst mest almindelige seksuelt overførte sygdom, gonoré.

Som mange andre bakterier, N. gonorrhoeae har lang, mobil, trådlignende udvidelser. De bruger disse pili til at klamre sig til overflader og bevæge sig rundt. Vedhængene interagerer også med hinanden og hænger aktivt sammen for at danne kolonier. Set under mikroskopet, denne proces ligner koalescensen af ​​vanddråber.

Celleforlængelser bestemmer signifikant egenskaberne af bakteriekolonier

I et fælles projekt ledet af postdoc Dr. Hui-Shun Kuan (FAU), tidligere ph.d. studerende Wolfram Pönisch (nu postdoc ved University of Cambridge), Professor Frank Jülicher (MPI-PKS) og professor Vasily Zaburdaev, indehaver af formanden for matematik i biovidenskab ved FAU og medlem af MPZPM's videnskabelige bestyrelse, har udviklet en teori til at beskrive disse processer ved hjælp af metoder fra statistisk fysik. Som udgangspunkt for deres model, de bruger de kræfter, der udøves mellem bakterierne via pili. På denne måde, det lykkedes dem matematisk at rekonstruere udviklingen af ​​kolonier. Processen er analog med kondensering af en væske eller adskillelsen af ​​to faser, såsom vand og olie. Når antallet af mikrober pr. Arealenhed overstiger en vis grænse, de går spontant sammen og danner en tæt dråbe omgivet af kun få enkelte celler.

Disse celledråber er viskoelastiske:De reagerer elastisk på hurtig deformation og bevæger sig som en viskøs væske over længere perioder. Den respektive adfærd, de udviser, afhænger af, om netværket af sammenvævede pili har tid nok til at omarrangere sig selv. Forskernes model viser den centrale rolle, disse trådlignende fremskrivninger spiller i dannelsen af ​​kolonier, og hvordan de bestemmer deres mekaniske egenskaber.

Resultaterne kan generaliseres og også bruges til at beskrive mekanikken og dynamikken i tætte cellesamlinger, såsom solide tumorer eller væv. Teorien kan således hjælpe læger med at identificere potentielle mål for at bremse eller endda stoppe dannelsen af ​​bakteriekolonier eller tumorer med nye aktive stoffer.