Kleine dansers: wetenschappers synchroniseren bacteriële bewegingen

Onderzoekers van de TU Delft hebben ontdekt dat E. coli-bacteriën hun bewegingen kunnen synchroniseren, waardoor orde ontstaat in schijnbaar willekeurige biologische systemen. Door individuele bacteriën op te vangen in micro-engineered cirkelvormige holtes en deze holtes via smalle kanalen te koppelen, observeerde het team gecoördineerde bacteriële beweging. Hun bevindingen, die potentiële toepassingen hebben bij het ontwerpen van bestuurbare biologische oscillatornetwerken, zijn recentelijk gepubliceerd gepubliceerd in Klein.

Een publiek dat ritmisch klapt, vuurvliegjes die eenstemmig flitsen, of zwermen spreeuwen die als één beweging bewegen: synchronisatie is een natuurlijk fenomeen dat wordt waargenomen op verschillende systemen en schaalniveaus. Synchronisatie werd voor het eerst beschreven door Christiaan Huygens in de 17e eeuw en werd op beroemde wijze geïllustreerd door het uitgelijnd zwaaien van zijn slingerklokken. Nu hebben onderzoekers van de TU Delft aangetoond dat zelfs E. coli-bacteriën – eencellige organismen van slechts enkele micrometers lang – hetzelfde fenomeen kunnen vertonen.

“Dit was een opmerkelijk moment voor ons team”, zegt Farbod Alijani, universitair hoofddocent aan de faculteit Werktuigbouwkunde. “Het zien van bacteriën die synchroon dansen, laat niet alleen de schoonheid van de natuur zien, maar verdiept ook ons ​​begrip van de microscopische oorsprong van zelforganisatie bij de kleinste levende organismen.”

Gesynchroniseerde beweging

Het team van Alijani heeft dit, samen met TU-professor Cees Dekker en TU Delft-spin-off SoundCell, bereikt door gebruik te maken van nauwkeurig ontworpen microholtes die afzonderlijke E. coli-cellen uit een bulkpopulatie opvangen. Binnen deze cirkelvormige holtes begonnen de bacteriën een roterende beweging te vertonen, vergelijkbaar met slingerklokken. Door twee van deze holtes met een klein kanaaltje met elkaar te verbinden, merkten de onderzoekers dat de twee bacteriën na enige tijd hun bewegingen begonnen te synchroniseren.

“Deze synchronisatie vindt plaats vanwege hydrodynamische interacties die worden veroorzaakt door de beweging van bacteriën in het gekoppelde systeem”, legt Alijani uit. Het team kwantificeerde deze koppelingssterkte en ontdekte dat de gecoördineerde beweging van de bacterie voldeed aan universele wiskundige synchronisatieregels.

Naar een netwerk van gecoördineerde beweging

De bevindingen zijn veelbelovend en maken de weg vrij voor het ontwerpen van micro-instrumenten die in staat zijn gecontroleerde oscillaties en synchronisatie in bacteriële systemen te induceren. Dergelijke hulpmiddelen kunnen wetenschappers helpen bij het bestuderen van de bacteriële motiliteit en coördinatie in besloten omgevingen, waardoor een beter inzicht ontstaat in de microbiële actieve materie.

Het team onderzoekt nu complexere systemen door meerdere holtes te koppelen om netwerken van gesynchroniseerde bacteriën te vormen. “We willen ontdekken hoe deze netwerken zich gedragen en of we nog geavanceerdere dynamische bewegingen kunnen ontwerpen”, voegt Alijani toe.

Mogelijkheden voor drugsscreening

Hoewel dit onderzoek in de eerste plaats fundamenteel is, zijn de potentiële toepassingen ervan breed. “Dit zou zelfs een nieuwe benadering kunnen bieden voor het screenen van geneesmiddelen, bijvoorbeeld door het meten van veranderingen in de vloeistofstroom en krachten veroorzaakt door bacteriële beweging voor en na het toedienen van antibiotica”, suggereert Alijani.

Het onderzoek is geïnspireerd op eerder werk waarin het team van Alijani het allereerste geluid van een enkele bacterie opnam met behulp van een grafeentrommel. “We waren benieuwd of we een stap verder konden gaan en orde konden scheppen in de chaotische oscillaties die we observeerden”, zegt Alijani. Met deze studie zijn ze overgestapt van het opnemen van de soundtrack van een enkele bacterie naar het orkestreren van hun ’tango’.