Wissenschaftler beobachten mechanische Wellen in Bakteriengemeinschaften

Eine neue Studie unter der Leitung von Forschern der Chinesischen Universität Hongkong berichtete über die Entstehung spiralförmiger mechanischer Wellen in Bakterienmaterial.

Spiralwellen werden häufig in künstlichen und natürlichen Systemen (wie dem Herzen) beobachtet. Diese entstehen durch die Interaktion benachbarter Elemente, im Falle des Herzens beispielsweise der Herzzellen. Diese Spiralwellen können unterschiedliche Auswirkungen haben und manchmal zu lebensbedrohlichen Erkrankungen wie Herzflimmern führen.

Die neue Studie, veröffentlicht in Natürliche Physik, erforscht Spiralwellen in Bakterien, etwas, das noch nie zuvor beobachtet wurde. Dabei konzentrierten sich die Forscher insbesondere auf die Art Pseudomonas aeruginosa. Sie kommen häufig im Boden und im Wasser vor und besiedeln bekanntermaßen auch Krankenhäuser.

Die Forschung ist eine Fortsetzung ihrer früheren Arbeit, in der die Autoren den Materialtransport über große Entfernungen in Bakteriengemeinschaften über offene Fluidkanäle untersuchten.

Der Co-Autor der Studie, Dr. Shiqi Liu, sagte gegenüber Phys.org: „Während wir die Entwicklung von Bakterienkanälen untersuchten, entdeckten wir Dichtewellensignaturen und waren von diesem wunderschönen Muster fasziniert. Wellen.“

Pilus-Motoren

Diese von Forschern bei Bakterien beobachteten Spiralwellen sind ein aufkommendes Phänomen. Emergente Phänomene sind ein entscheidender Aspekt komplexer Systeme, also Systeme, in denen die Interaktion einzelner Einheiten zu Phänomenen führt, die sonst nicht beobachtet werden könnten.

Das bedeutet, dass wir verstehen müssen, was auf der Ebene jeder einzelnen Entität geschieht, in diesem Fall eines Pseudomonas aeruginosa-Bakteriums. Diese Bakterien verfügen über Haarmotoren, die der Schlüssel zu Spiralwellen sind.

Pilusmotoren sind molekulare Motoren, die an Pili, dünnen haarähnlichen Fortsätzen auf der Oberfläche von Bakterienzellen, befestigt sind. Diese Motoren spielen eine wichtige Rolle bei verschiedenen Prozessen der Bakterien, etwa bei der Bewegung und der Oberflächenanhaftung.

„Die Ausbreitung von Spiralwellen resultiert aus der koordinierten Aktivität des motorischen Pilus, einem beweglichen, hakenartigen Greiforganell, das in vielen Bakterienarten vorkommt“, erklärte der Co-Autor der Studie, Dr. Yilin Wu.

Durch mechanische Bewegungen der Pilusmotoren entstehen bei vielen Bakterien Spiralwellen, die Wellen auf der Bakterienoberfläche ähneln.

Proteinmarker und gekoppelte Oszillatoren

Um Spiralwellen zu untersuchen, verwendeten die Forscher sowohl experimentelle Techniken als auch mathematische Modellierung.

Als Marker setzten die Forscher auf die Verwendung fluoreszierender Proteine. Sie verfolgten die Bewegung einzelner Zellen, indem sie einen kleinen Teil der Population mit diesen fluoreszierenden Proteinen markierten.

Anschließend beobachteten sie mithilfe eines Mikroskops das Verhalten einzelner Bakterien und Bakterienpopulationen. Die Forscher verwendeten die Marker auch zur Verfolgung der Zelldichte, um die räumliche Verteilung von Zellen innerhalb von Bakterienpopulationen sichtbar zu machen.

Um die Rolle der Pilusmotorik bei der Erzeugung von Spiralwellen besser zu verstehen, behandelten die Forscher Bakterienpopulationen mit Medikamenten, die bekanntermaßen die Pilusmotorik beeinflussen. Durch die Beobachtung der Auswirkungen dieser Behandlungen auf die Wellendynamik konnten sie die Bedeutung von Pilusmotoren für die Wellenbildung ableiten.

Schließlich entwickelten die Forscher ein mathematisches Modell auf Basis gekoppelter Oszillatoren, bei dem die Bewegung eines Oszillators die anderen beeinflusst und umgekehrt. Das mathematische Modell wurde entwickelt, um das Verhalten von Bakterienpopulationen zu simulieren und ihre experimentelle Arbeit zu validieren.

Nicht-reziproke Interaktionen und großräumige Koordination

Die Forscher fanden heraus, dass die Spiralwellen aus der koordinierten Aktivität der Pilusmotoren resultierten. Sie beobachteten auch, dass die Wellen in sich geschlossen und stabil waren und nahezu stationäre Spiralkerne hatten.

Diese Stabilität ist eine Eigenschaft, die bestimmte Arten elektrischer und chemischer Spiralwellen in anderen lebenden Systemen gemeinsam haben. Allerdings unterscheiden sich die bei Bakterien beobachteten Spiralwellen von anderen Spiralwellen.

Dr. Liu erklärte: „Die spiralförmigen Spannungswellen, die wir in Bakterienpopulationen entdeckt haben, sind auf zyklische mechanische Prozesse auf Einzelzellebene zurückzuführen und unterscheiden sich von Spiralwellen in den meisten chemischen/biologischen Prozessen, bei denen die Spiralwellen in Form oszillierender Wellen auftreten.“ . chemische Konzentration.“

„Darüber hinaus entstehen spiralförmige Spannungswellen in Bakterienpopulationen spontan ohne äußere Stimulation oder Inhomogenität, während Spiralwellen in vielen anderen Systemen räumliche Stimulation oder Inhomogenität erfordern.“

Darüber hinaus zeigten die Forscher die Rolle nicht-reziproker Wechselwirkungen zwischen Bakterienzellen auf Spiralwellen. Sie fanden heraus, dass diese Wechselwirkungen (die asymmetrisch sind, was bedeutet, dass der Einfluss einer Zelle auf eine andere nicht reflektiert wird) für die stabile Bildung von Spiralwellen wesentlich sind.

Im Wesentlichen bedeutet dies, dass diese Interaktionen zu einer Form der Selbstorganisation (oder Subsistenz) führen können, die groß angelegte kollektive Verhaltensweisen oder neu auftretende Phänomene wie die Ausbreitung von Spiralwellen zur Folge hat.

Biofilme und Ausbreitung

Die Ergebnisse geben Aufschluss über Bakterienpopulationen und deren Verhalten, beispielsweise die Bildung von Biofilmen.

Wenn Bakterien an einer Oberfläche haften, produzieren sie extrazelluläre Polymersubstanzen (EPS). Diese Substanz bildet eine strukturierte Gemeinschaft, die als Biofilm bezeichnet wird, sodass die Bakterien in eine EPS-Matrix eingebettet sind und sie so vor Umweltbelastungen wie Antibiotika und Immunreaktionen des Wirts schützen.

Dieser gesamte Prozess, Biofilmbildung genannt, ist für das Überleben von Bakterienkolonien unerlässlich. Das Gegenteil dieses Phänomens – die Streuung – ist ebenso wichtig.

Wenn Bakterien in einem Biofilm abbrechen und sich an neue Orte ausbreiten, spricht man von Ausbreitung. Die Ausbreitung kann als Reaktion auf Umwelteinflüsse, Nährstoffverfügbarkeit oder als Teil des bakteriellen Lebenszyklus erfolgen.

Dieser Mechanismus kann Bakterien dabei helfen, neue Oberflächen oder Wirtsumgebungen zu besiedeln, und kann die Ausbreitung von Infektionskrankheiten oder die Bildung mikrobieller Gemeinschaften in verschiedenen Ökosystemen beeinflussen.

Forscher gehen davon aus, dass Pilusmotoren nicht nur als mechanische Aktuatoren, sondern auch als Sensoren dienen. Das heißt, sie können mechanische Reize in der Umgebung erkennen und so synchronisierte Bewegungen innerhalb von Bakterienpopulationen ermöglichen.

„Wir glauben, dass die Koordination oder Kopplung von Pilus-Aktivitäten es Bakterienpopulationen ermöglicht, große Spannungskräfte zu kontrollieren und ihre Ausbreitung zu beeinflussen“, erklärte Dr. Wu.

Daher kann das Verständnis von Spiralwellen helfen, das Verhalten von Bakterienarten zu verstehen.

Darüber hinaus kommen stehende Spiralwellen in vielen verschiedenen Systemen vor. „Das Wellenmuster in Pilus-angetriebener Bakteriensubstanz könnte daher ein verwertbares mechanisches Analogon darstellen, um den Ursprung und die Kontrolle stabiler Spiralwellen in verschiedenen lebenden Systemen, wie zum Beispiel Herzgewebe, zu untersuchen“, erklärte Dr. Liu.

Für ihre zukünftige Arbeit wollen die Forscher untersuchen, wie Spiralwellen kontrolliert werden können.

„Diese Informationen könnten die Kontrolle stabiler Spiralwellen in anderen lebenden Systemen leiten. Beispielsweise die Kontrolle von Spiralwellen im Herzgewebe, die mit lebensbedrohlichen Herzrhythmusstörungen verbunden sind“, sagte Dr. Wu.

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