Malariaparasitter danner hvirvler

Sygdommen malaria udløses af encellede parasitter, der ophobes i store grupper i myggenes spytkirtler, før de overføres til mennesker. Den begrænsede plads der forhindrer dem i faktisk at bevæge sig, medmindre denne begrænsning ophæves ved hjælp af passende eksperimentel forberedelse. I netop et sådant sæt eksperimenter har forskere ved Heidelberg Universitet sat patogenerne i gang og analyseret de erhvervede billeddata ved hjælp af banebrydende billedbehandlingsmetoder. Dataene viser, at de kollektivt bevægende patogener danner hvirvelsystemer, der i høj grad er bestemt af fysiske principper. Særlige computersimuleringer hjalp med at identificere de mekanismer, der ligger til grund for disse roterende bevægelser.

Den kollektive bevægelse af biologiske organismer er et almindeligt fænomen i den naturlige verden. Insekter og fisk har for eksempel en tendens til at bevæge sig i sværme. Ofte forekommer kollektiv bevægelse også på celleniveau, som når kræftceller migrerer fra en tumor eller bakterier danner en biofilm. Mange individers samarbejde kan give anledning til såkaldt emergent adfærd – nye egenskaber, som ellers ikke ville eksistere i denne form.

"I fysik skaber kollektivitet så vigtige processer som faseovergange, superledning og magnetiske egenskaber," forklarer prof. Dr. Ulrich Schwarz, leder af arbejdsgruppen Physics of Complex Biosystems ved Instituttet for Teoretisk Fysik ved Heidelberg Universitet. I et tværfagligt studie sammen med Prof. Dr. Friedrich Frischknecht (malariaforskning) og Prof. Dr. Karl Rohr (biomedicinsk billedanalyse) har han vist, at kollektiv bevægelse også kan forekomme i Plasmodium, malariaforårsagen.

Den encellede organisme sprøjtes ind i huden gennem et myggestik og udvikles først i leveren og senere i blodet. Fordi Plasmodium fungerer som en enkelt celle i de fleste af dens stadier, blev dens kollektive egenskaber næppe undersøgt indtil nu. I myggens spytkirtel har parasitten en lang og buet form, der ligner en halvmåne, og er kendt som en sporozoit. "Så snart sporozoitter sprøjtes ind i huden af ​​myggen, begynder individuelle parasitter hurtigt at bevæge sig mod blodkarrene. Dette er den kritiske fase af infektionen, fordi den kun lykkes, hvis et patogen når blodbanen," siger prof. Frischknecht.

I deres undersøgelser ved Center for Infektionssygdomme på Heidelberg Universitetshospital opdagede Friedrich Frischknecht og hans team, at parasitterne i inficerede spytkirtler kan mobiliseres som et kollektiv. For at gøre det dissekeres spytkirtlerne fra myggen og presses forsigtigt mellem to små glasplader. Forskerne var overraskede over at opdage, at de halvmåneformede celler danner roterende hvirvler i det nye præparat. De minder om bakteriers eller fisks kollektive bevægelser, selvom de adskiller sig ved, at de altid roterer i samme retning. Parasithvirvlerne har derfor en chiral karakter og svinger - ligeledes uventet - i størrelse. Ifølge prof. Frischknecht peger disse svingninger på nye karakteristika, da de kun er mulige i de bevægelige cellers kollektiv og vokser sig stærkere i større hvirvler.

For at forstå disse fænomener mere præcist blev de eksperimentelle data analyseret kvantitativt. Grupperne af Ulrich Schwarz og Karl Rohr, leder af Biomedical Computer Vision Group ved BioQuant Center ved Heidelberg University, brugte banebrydende billedbehandlingsmetoder til dette formål. De var i stand til at spore individuelle parasitter i de roterende hvirvler og måle både deres hastighed og krumning.

Ved hjælp af såkaldte agent-baserede computersimuleringer var det muligt præcist at identificere de love, der kan forklare alle aspekter af de eksperimentelle observationer. Samspillet mellem aktiv bevægelse, buet form af cellen og chiralitet i forbindelse med mekanisk fleksibilitet er tilstrækkeligt til at forklare sorterings- og oscillationsfænomenerne i parasithvirvlerne. De svingninger, som forskerne observerede, opstår, fordi de enkelte patogeners bevægelse omdannes til elastisk energi, der er lagret i hvirvelen. "Vores nye modelsystem giver mulighed for bedre at forstå fysikken i kollektiver med elastiske egenskaber og måske gøre dem brugbare til tekniske anvendelser i fremtiden," fastslår fysikeren Ulrich Schwarz.

I næste trin vil forskerne undersøge præcis, hvordan bevægelsens chiralitet opstår. Strukturen af ​​sporozoitter antyder forskellige muligheder, der kan studeres i forsøg med genetiske mutationer. Indledende computersimuleringer har allerede vist, at de højre- og venstresvingende parasitter hurtigt adskiller sig og genererer separate hvirvelsystemer. En bedre forståelse af de underliggende molekylære mekanismer kunne åbne op for nye veje til at forstyrre sporozoitbevægelser ved begyndelsen af ​​enhver malariainfektion. "Under alle omstændigheder har vores undersøgelse vist, at mekanikken bag patogenerne spiller en ekstremt vigtig og hidtil overset rolle - et fund, der også åbner op for nye perspektiver for medicinske indgreb," siger Frischknecht.

Forskningsarbejdet blev udført inden for rammerne af Collaborative Research Center 1129, "Integrative Analysis of Pathogen Replication and Spread," baseret på det medicinske fakultet Heidelberg ved Heidelberg University. Resultaterne af den tværfaglige undersøgelse blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Physics . + Udforsk yderligere

Forskere bruger optogenetik og matematisk modellering til at identificere et centralt molekyle i cellemekanik