Wat hebben scheepsrompen gemeen met ons gebit? Het antwoord: plakkerige laagjes met biostoffen kunnen zich zowel op een scheepsromp als op onze tanden afzetten. Deze ‘biofilms’, nogal slijmerige coatings, bestaan uit talloze micro-organismen zoals ongewenste bacteriën. En deze kunnen op hun beurt weer schade veroorzaken op hun directe omgeving. Zo heeft bijvoorbeeld vervuiling op scheepsrompen economische gevolgen door de toename van het gewicht en de verhoogde stromingsweerstand. Cariës en parodontitis vormen een aanzienlijk gezondheidsrisico. Genoeg reden dus voor bezorgdheid over de biofilms. Maar om dat tegen te gaan moeten we eerst weten hoe ze zich verspreiden. De centrale vraag daarbij is: hoe komen ze aan hun voeding?

Microben genereren stroom

Dit is precies wat een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Heinrich-Heine-Universiteit Düsseldorf (HHU) nu onderzoekt. Het team bestaat uit wetenschappers van het Institute for Theoretical Physics II van de HHU, Stanford (USA), Argonne (USA) en Santiago de Chile. De onderzoekers komen uit verschillende disciplines zoals hydrodynamica en biofysica.

In eerste instantie ontwikkelden de onderzoekers een uitgebreide microhydrodynamische theorie. Vervolgens hebben zij deze geanalyseerd op verschillende soorten bewegingen. Ze onderzochten welke bewegingsstrategieën de individuele bacteriën uitvoeren om hun koers te bepalen. De microben gebruiken deze strategieën om ervoor te zorgen dat de voedingsstoffen automatisch aan hen worden geleverd. Op die manier regelen ze dus hun optimale bevoorrading. Kortom: de biofilms genereren door hun bewegingspatroon hun eigen voedingsstoffenvoorziening. Door afwisseling in de bewegingen zorgen ze voor ze een onafgebroken stroom die gericht is op het voeden van de biofilm.

Aanpasbaar resultaat

Voor prof. dr. Hartmut Löwen, natuurkundige en co-auteur van de studie, is de omgekeerde conclusie minstens zo interessant: “Als alle bacteriën juist dezelfde bewegingen uitvoeren, leidt dit tot een stilstand van de waterstroming en dus tot hun zekere dood door honger”. Afhankelijk van hoe de micro-organismen zich bewegen, ontwikkelen zich bepaalde patronen op de biofilms. Deze kunnen worden gebruikt om de toevoer van voedingsstoffen te controleren. Dat maakt het ook mogelijk om bacteriële kolonies zonder gif te vernietigen – simpelweg door de instroom te verstoren van divers naar identiek. Aan de andere kant is het, als voor een bepaalde situatie die biofilms juist wel gewenst zijn, volgens Löwen ook denkbaar om intelligente samenwerking tussen micro-organismen te bevorderen. Dit zou een uitgebreide voedselvoorziening kunnen garanderen.

Dit principe is overigens niet beperkt tot bacteriën, zegt Löwen. Het is ook van toepassing op microrobots die als “kunstmatige zwemmers” in onze bloedbanen worden losgelaten. Deze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om een gemneesmiddel in het menselijk lichaam naar een gewenste bestemming te vervoeren.

De oorspronkelijke publicatie van de wetenschappers verscheen in nummer 121 van het tijdschrift Physical Review Letters. A.J.T.T.M. Mathijssen, F. Guzman-Lastra, A. Kaiser, H. Löwen.

Hoofdfoto: Bewegingspatroon op een vlakke biofilm (blauw-rood gekleurd) © Stanford University / Arnold J. T. M. Mathijssen