Bacteriën bewegen als plastic rupsen in een aquarium vol pingpongballetjes

Onderzoekers van de Amerikaanse universiteit van Princeton hebben samen met de TU Darmstadt en de Heinrich Heine Universiteit Düsseldorf (HHU) een model ontwikkeld waarmee de beweging van bacteriën in complexe omgevingen kan worden gesimuleerd. Het model, gepresenteerd in het tijdschrift Nature Communications, kan onder meer helpen bij de ontwikkeling van intelligente dragers waarmee geneesmiddelen in het lichaam verspreid kunnen worden, aldus de TU Darmstadt in een persbericht.

Wanneer bacteriën zich door aarde, weefsel of andere omgevingen vol hindernissen verspreiden, moeten zij flexibel zijn;. Als zij star zouden vasthouden aan een nauw bewegingspatroon, zouden zij snel vastlopen op doodlopende wegen. In feite bewegen bacteriën zich door open ruimten totdat zij vast komen te zitten. Dan heroriënteren zij zich waarna ze door het volgende beschikbare gat te glippen.

“Hop-and-trap”-strategie

Het model dat is ontwikkeld door een onderzoeksteam van Princeton University in samenwerking met natuurkundigen van onder meer de HHU en de TU Darmstadt, verklaart waarom deze “hop-and-trap”-strategie werkt voor bacteriën en hoe zij zou kunnen worden geoptimaliseerd voor zelfbewegende polymeerdeeltjes.
Dit kan gunstig zijn voor de ontwikkeling van toekomstige microrobots die zich door complexe driedimensionale omgevingen moeten bewegen.

Een voorbeeld van een toepassing zijn piepkleine medicijntransporteurs die door tumorweefsel navigeren om chemotherapeutische geneesmiddelen op de juiste plaats vrij te geven. Princeton-onderzoeker Dr. Christina Kurzthaler: “We wilden begrijpen welke invloed het ‘hop-and-trap’-mechanisme heeft op de bewegingsmogelijkheden van bacteriën in verschillende omgevingen.” Het modelorganisme was de E. coli bacterie. Hun bewegingen in een poreus medium waren van tevoren gemeten door de groep onder leiding van Princeton-professor Dr. Sujit Datta.

Pingpongballetjes

Dr. Suvendu Mandal, co-auteur en voormalig staflid van het Instituut voor Theoretische Fysica 2 van de HHU en nu onderzoeker aan de Technische Universiteit van Darmstadt, heeft samen met Kurzthaler gesimuleerd hoe een bacterie zich willekeurig door een complexe, driedimensionale omgeving kan bewegen. In het model werden de bacteriën voorgesteld als plastic rupsen in een aquarium vol pingpongballetjes.

Ook interessant: Simulatiesoftware vereenvoudigt de productie van biofarmaceutische geneesmiddelen

Statistische analyses brachten patronen aan het licht in de gesimuleerde paden van plastic rupsen die sterk overeenkomen met de bewegingen van E. coli volgens het “hop-and-trap”-mechanisme. Het model komt dus overeen met het natuurlijke model.

De onderzoekers ontwikkelden vervolgens een vereenvoudigd model om de meest efficiënte manier voor bacteriën om zich te verspreiden te bepalen. Dit resulteert in een algemene regel: een bacterie beweegt zich het doeltreffendst wanneer hij een afstand aflegt die ruwweg overeenkomt met de lengte van de grootste poriën of gaten in de omgeving voordat hij zich heroriënteert.

Microrobot

Kurzthaler: “Als de padlengte heel klein is, reizen de bacteriën niet erg ver, maar bewegen ze gewoon willekeurig heen en weer. Als de padlengte erg lang is, raken de cellen gemakkelijk verstrikt omdat ze zich nooit heroriënteren.”
“Het nieuwe model biedt ook een criterium voor de ontwikkeling van polymeren die medicijnen door het lichaam kunnen transporteren of verontreinigende stoffen in de bodem kunnen vinden en afbreken,” zegt Mandal: “Als je zo’n microrobot zou willen ontwerpen, is het belangrijk dat hij zich kan heroriënteren om de complexe omgeving waarin hij moet opereren te verkennen.”

Op deze basis is het ook mogelijk het collectieve gedrag van bacteriën te modelleren, bijvoorbeeld hoe zij biofilms vormen in poreuze materialen. Dit heeft ook belangrijke implicaties voor het dagelijkse ziekenhuisleven, waar het erom gaat plaatsen te identificeren die bijzonder aantrekkelijk zijn voor bacteriële kolonisatie. Dergelijke vormen kunnen dan van tevoren, bij het ontwerp van de apparatuur, worden vermeden.

Foto: Heen en weer bewegen en richtingsveranderingen helpen polymeren en bacteriën door de poriën van een complex opgebouwde omgeving te navigeren, zodat zij niet in doodlopende stukken vast komen te zitten.