Biofilme bilden sich, wenn Mikroorganismen wie bestimmte Bakterienarten in feuchter Umgebung an der Oberfläche von Gegenständen haften und sich zu vermehren beginnen, was zur Ausscheidung einer schleimigen, klebstoffartigen Substanz führt.
Diese Biofilme sind jedoch nicht nur unangenehm und unansehnlich – sie können ernsthaft störend sein. Im medizinischen Bereich kann beispielsweise die Bildung von Biofilm die Wirksamkeit von Antibiotikabehandlungen verringern. Der Schlüssel zum Verständnis der Biomassebildung liegt darin, zu verstehen, wie sich Bakterien massenhaft verhalten.
Ein neues Papier rein Das European Physical Journal E von der Heinrich-Heine-Universität, Düsseldorf, Deutschland, stellen der Forscher Davide Breoni und seine Co-Autoren ein mathematisches Modell für die Bewegung von Bakterien vor, das Zellteilung und Tod, die grundlegenden Bestandteile des Zellzyklus, beinhaltet.
Das Team entwickelte ein mathematisches Modell der Bakterienbewegung und stellte dabei eine Verbindung zwischen statistischer Physik und Biophysik her.
„Unser neues Modell gehört zu einer Klasse von Modellen für ‚aktive Materie‘, die derzeit auf großes Interesse in der statistischen Physik stoßen“, sagt Breoni. „Dieses Gebiet untersucht die kollektiven Eigenschaften von Partikelsystemen, die über eine eigene Energiequelle verfügen – Bakterien sind ein beispielhafter Fall.“
Das vom Team entwickelte Modell überraschte, indem es darauf hindeutete, dass Bakterien bei der Bewegung als Einheit agieren können.
„Im Laufe unserer Untersuchung haben wir herausgefunden, dass das Modell vorhersagt, dass die Bildung von Bakterienkolonien durch den Aufbau von Wanderwellen, konzentrierten ‚Paketen‘ von Bakterien, erfolgen kann“, fügt Breoni hinzu. „Wir haben nicht erwartet, dass dies bei einem so einfachen Modell wie unserem zustande kommt.“
Er glaubt, dass die Ergebnisse für die breite Öffentlichkeit interessant sein sollten, die vielleicht von Bakterienkolonien weiß, aber nicht weiß, wie sie sich kollektiv bewegen.
Breoni schließt mit dem Hinweis, dass dies ein sehr einfaches Modell ist, das vorschlägt, wie die Forschung von hier aus weitergehen könnte. „Wir könnten versuchen, das Modell realistischer zu machen und die Ergebnisse mit Experimenten vergleichen, um seine Vorhersagen zu testen“, sagt er. „Andererseits ist diese Forschung sehr neugierig und resultiert aus intensiven Diskussionen unter den Forschern – ein Ansatz, den wir beibehalten möchten, um uns weiterhin mit unseren Ergebnissen überraschen zu können.“
Mehr Informationen:
Davide Breoni et al, Ein eindimensionales Run-and-Tumble-Modell mit drei Zuständen und einem „Zellzyklus“, Das European Physical Journal E (2022). DOI: 10.1140/epje/s10189-022-00238-7