Forscher nutzen 3D-Modelle, um die Bewegung von Bakterien zu untersuchen

Das spiralförmige Bakterium Helicobacter pylori ist weit verbreitet und lästig.

Mehr als 13 Prozent der Amerikaner haben eine H. pylori-Infektion, obwohl die Häufigkeit je nach Alter, Rasse und sozioökonomischem Status variiert. Mit seinem korkenzieherartigen Schwanz bewegt sich der Mikroorganismus durch viskose Flüssigkeiten wie Magenschleim. Wenn es das Epithel der Magenwand erreicht, kann es alles verursachen, von Geschwüren bis hin zu Krebs.

In einer neuen Studie veröffentlicht von Briefe zur körperlichen UntersuchungForscher des FAMU-FSU College of Engineering erstellten ein 3D-Modell dieses Bakteriums, um seine Bewegung besser zu verstehen, in der Hoffnung, den Code zu knacken, der die Beweglichkeit des Organismus steuert, und alternative Behandlungen für Infektionen zu entwickeln, beispielsweise die Stärkung der Magenschleimbarriere, die den Bakterien entgegensteht.

„Menschen auf der ganzen Welt haben Geschwüre mit Antibiotika behandelt, weil Antibiotika Bakterien abtöten, aber es ist ein zweischneidiges Schwert“, sagte der Co-Autor der Studie, Hadi Mohammadigoushki, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Chemie- und Biomedizintechnik. „Wenn wir verstehen, wie sich diese Bakterien bewegen, können wir daran arbeiten, andere Behandlungslösungen bereitzustellen.“

In den Experimenten platzierte das Team ein Modell der Bakterien in einem hochviskosen Polymergel, einem Beispiel für eine sogenannte Fließspannungsflüssigkeit. Diese Flüssigkeiten verhalten sich bei geringen Spannungen wie Feststoffe, fließen jedoch ab einem kritischen Spannungspunkt wie Flüssigkeiten.

Dann verwendeten sie ein Magnetfeld, um das 3D-Modell zu drehen und so das Verhalten des Mikroorganismus nachzuahmen. Mithilfe von Partikelverfolgungs- und Bildgebungstechniken maßen die Forscher die Geschwindigkeit der Bakterien und visualisierten die Verteilung und Dichte der sie umgebenden Flüssigkeit.

Die Forscher identifizierten zwei kritische Schwellenwerte, die die Bakterien überwinden müssen: das Drehmoment, das erforderlich ist, um das Schwimmmodell zu drehen, und die Kraft, die erforderlich ist, um das Modell vorwärts zu treiben.

„Wir haben festgestellt, dass die Bakterien im Gel stecken bleiben, wenn der Schwanzantrieb zu schwach ist“, sagte Mohammadigoushki. „Wenn die Kraft stark genug wäre, könnte es das Gel durchdringen. Es ist so, als würde man eine Schraube in eine feste Wand bohren. Wenn Ihr Bohrer nicht stark genug ist und Sie die Schraube nicht mit genügend Kraft hineindrücken, wird sie nicht funktionieren.“ „Es kann die Wand nicht durchdringen, aber mit der richtigen Kraft kann es durchbrechen.“

Die Schwimmbewegungen und die Kraft, die es H. pylori ermöglichen, sich zu bewegen, gelten auch für größere Objekte, wie zum Beispiel Regenwürmer, die sich im Boden eingraben, verschiedene Parasiten und mehr.

„Wenn wir verstehen, wie die Bakterien erfolgreich unseren Körper angreifen, können wir diese Informationen für alles nutzen, was wir uns vorstellen können“, sagte Kourosh Shoele, Assistenzprofessor an der Fakultät für Maschinenbau.

Shoele ist Teil des multidisziplinären Forschungsteams und Experte für Computerwissenschaften. Er erklärte, wie das Lernen aus der Natur eine bessere Reaktion mechanischer und biologischer Systeme hervorrufen kann.

„In Zukunft können wir einen Mikroroboter entwickeln, der ein Medikament an eine bestimmte Stelle im Körper abgeben kann, um Leukämie und andere Krankheiten zu bekämpfen“, sagte Shoele. „Oder vielleicht können wir winzige Roboter entwerfen, die Schwimmbewegungen und Kraft nutzen, wie H. pylori, die tief im Sand graben können, um nach Wasser oder Öl zu suchen. Die Möglichkeiten sind endlos.“

Farshad Nazari, ein FSU-Doktorand in Chemie- und Biomedizintechnik, arbeitet mit den beiden Forschern zusammen und ist der Hauptautor dieser Arbeit.