Bacteriën in polymeren creëren kabelachtige structuren die uitgroeien tot levende gels

Bacteriën in polymeren creëren kabelachtige structuren die uitgroeien tot levende gels
Een 3D-weergave vastgelegd met een confocale microscoop toont de ontwikkeling van serpentijn “kabels” als niet-beweeglijk E. coli bacteriële cellen prolifereren in een polymere oplossing. Schaalbalken zijn inbegrepen. Krediet: Sebastian Gonzalez La Corte et al./Princeton University/Caltech

Wetenschappers van Caltech en Princeton University hebben ontdekt dat bacteriële cellen die groeien in een oplossing van polymeren, zoals slijm, lange kabels vormen die in elkaar knikken en draaien, waardoor een soort “levende Jell-O.”

De bevinding zou bijzonder belangrijk kunnen zijn voor het onderzoek en de behandeling van ziekten zoals cystische fibrose, waarbij het slijm dat de longen bekleedt geconcentreerder wordt, waardoor bacteriële infecties die zich in dat slijm vastzetten vaak levensbedreigend worden. Deze ontdekking zou ook implicaties kunnen hebben voor onderzoek naar polymeerafscheidende conglomeraten van bacteriën die bekend staan ​​als biofilms (bijvoorbeeld de gladde klodder op rivierrotsen) en voor industriële toepassingen waar ze storingen in apparatuur en gezondheidsrisico’s kunnen veroorzaken.

Het werk wordt beschreven in een paper gepubliceerd op 17 januari in het journaal Wetenschappelijke vooruitgang.

“We hebben ontdekt dat wanneer veel bacteriën groeien in vloeistoffen die spaghetti-achtige moleculen bevatten die polymeren worden genoemd, zoals slijm in de longen, ze kabelachtige structuren vormen die als levende gels met elkaar verweven zijn.” zegt Sujit Datta, hoogleraar chemische technologie, bio-engineering en biofysica bij Caltech en corresponderend auteur van het nieuwe artikel. “En interessant genoeg zijn er overeenkomsten tussen de fysica van hoe deze structuren ontstaan ​​en de microscopische fysica die ten grondslag ligt aan veel niet-levende gels, zoals Purell of Jell-O.”

Datta is onlangs van Princeton University naar Caltech verhuisd. Een van zijn studenten aan Princeton, Sebastian Gonzalez La Corte, is hoofdauteur van het artikel. Hij en Datta waren geïnteresseerd in hoe de slijmconcentratie verandert in de longen en ingewanden van patiënten met cystische fibrose, bij wie meer polymeren dan normaal aanwezig zijn. Door te werken met slijmmonsters van collega’s van het MIT groeide Gonzalez La Corte E. coli bacteriën (vaak gebruikt in laboratoriumonderzoek) in gewone vloeistof en in cystische fibrose-achtige monsters en observeerde vervolgens de monsters onder een microscoop om te zien hoe de bacteriecellen in elk geval groeiden.

Hij concentreerde zich op cellen die het vermogen om te zwemmen verloren hadden, zoals het geval is voor veel bacteriën in de natuur. Onder normale omstandigheden, wanneer zo’n cel zich in tweeën deelt, scheiden de resulterende cellen zich en verspreiden ze zich van elkaar af. Gonzalez La Corte ontdekte echter dat in een polymere oplossing de gekopieerde cellen van begin tot eind aan elkaar bleven kleven.

“Terwijl cellen zich blijven delen en aan elkaar blijven plakken, beginnen ze deze prachtige lange structuren te vormen die we kabels noemen.” zegt González La Corte. “Op een gegeven moment buigen en vouwen ze zich daadwerkelijk op elkaar en vormen ze een verstrengeld netwerk.”

Het team ontdekte dat de kabels zich blijven verlengen en groeien zolang de cellen de voedingsstoffen krijgen die ze nodig hebben, waardoor uiteindelijk ketens ontstaan ​​die duizenden cellen lang zijn.

Uit daaropvolgende experimenten bleek dat het niet uitmaakt welke bacteriesoort wordt geïntroduceerd, en dat het type organische polymeeroplossing ook geen verschil maakt; Zodra voldoende polymeer de bacteriecellen omringt, groeien de kabels. Hetzelfde resultaat zagen de onderzoekers zelfs bij bacteriën in synthetische polymeren.

Bacteriën in polymeren vormen kabels die uitgroeien tot levende gels
Een 3D-weergave vastgelegd met een confocale microscoop toont de ontwikkeling van serpentijn “kabels” als niet-beweeglijk E. coli bacteriële cellen prolifereren in een polymere oplossing. Krediet: Sebastian Gonzalez La Corte et al./Princeton University/Caltech

Hoewel de initiële motivatie voor het onderzoek was om de groei van infecties bij patiënten met cystische fibrose beter te begrijpen, zijn de bevindingen breder relevant. Slijm speelt een belangrijke rol in het menselijk lichaam, niet alleen in de longen, maar ook in de darmen en in het baarmoederhalskanaal. En Datta zegt dat het werk ook belangrijk is in de context van biofilms, groepen bacteriën die zelf een inkapselende polymeermatrix laten groeien. Er zijn biofilms in het menselijk lichaam, zoals tandplak, maar ze komen ook zeer vaak voor in de bodem en in industriële omgevingen, waar ze apparatuur kunnen beschadigen en gevaren voor de gezondheid kunnen veroorzaken.

“De polymeermatrix die ze hebben afgescheiden, maakt biofilms zo moeilijk te verwijderen van oppervlakken en te behandelen met antibiotica.” zegt Datta. “Begrijpen hoe cellen in die matrix groeien, kan van cruciaal belang zijn om te ontdekken hoe we biofilms beter kunnen controleren.”

De natuurkunde achter de kabels begrijpen

Door middel van zorgvuldig ontworpen experimenten ontdekte het team dat de externe druk die wordt uitgeoefend door de polymeren die de delende cellen omringen, de cellen samenbrengt en op hun plaats houdt. In de natuurkunde wordt zo’n aantrekkingskracht die onder controle staat van druk van buitenaf een uitputtingsinteractie genoemd. Gonzalez La Corte gebruikte de theorie van depletie-interactie om een ​​theoretisch model van bacteriële kabelgroei te creëren. Het model kan voorspellen wanneer een kabel zal overleven en groeien in een polymere omgeving.

“Nu kunnen we gevestigde theorieën uit de polymeerfysica, die voor totaal verschillende zaken zijn ontwikkeld, in deze biologische systemen gebruiken om kwantitatief te voorspellen wanneer deze kabels zullen ontstaan.” zegt Datta.

Waarom vormen de bacteriën deze kabels?

“We ontdekten dit interessante, ongewone, zeer onverwachte fenomeen:” zegt Datta. “We kunnen ook verklaren waarom dit gebeurt vanuit een mechanistisch, natuurkundig perspectief. De vraag is nu: wat zijn de biologische implicaties?”

Interessant genoeg zijn er twee mogelijkheden: de bacteriën zouden kunnen samenklonteren om dit netwerk van levende gel te vormen in een poging zichzelf groter te maken en daardoor moeilijker te verzwelgen en te vernietigen voor immuuncellen. Als alternatief kan kabelvorming juist schadelijk zijn voor de bacteriën. De afscheidingen van de gastheer zorgen er immers voor dat de bacteriën de kabels bouwen. “Slijm is niet statisch; In de longen wordt het bijvoorbeeld voortdurend opgeveegd door kleine haartjes op het oppervlak van de longen en omhoog gestuwd,” zegt Datta. “Zou het kunnen dat wanneer bacteriën allemaal samengeklonterd zijn in deze kabels, het eigenlijk makkelijker is om ze kwijt te raken – om ze uit het lichaam te verdrijven?”

Voorlopig weet niemand welke mogelijkheid juist is, en datta zegt dat dit dit project interessant maakt. “Nu we dit fenomeen hebben gevonden, kunnen we deze nieuwe vragen formuleren en verdere experimenten ontwerpen om onze vermoedens te testen.” zegt hij.

Meer informatie:
Sebastian Gonzalez La Corte et al, Morfogenese van bacteriële kabels in polymere omgevingen, Wetenschappelijke vooruitgang (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adq7797. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq7797

Tijdschriftinformatie:
Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door het California Institute of Technology

Nieuwste artikelen

spot_img

Related Stories

Leave A Reply

Vul alstublieft uw commentaar in!
Vul hier uw naam in