Wissenschaftler beobachten mechanische Wellen in Bakteriengemeinschaften

Eine neue Studie von Forschern der Chinesischen Universität Hongkong hat über die Entstehung mechanischer Spiralwellen in Bakterienmaterial berichtet.

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

Der neue Studieveröffentlicht in Naturphysik, erforscht Spiralwellen in Bakterien – etwas, das bisher noch nicht beobachtet wurde. Im Fokus der Forscher stand insbesondere die Art Pseudomonas aeruginosa. Diese kommen häufig im Boden und im Wasser vor und besiedeln bekanntermaßen auch Krankenhäuser.

Die Forschung ist eine Fortsetzung ihrer vorherige Arbeit Hier untersuchten die Autoren den Materialtransport über große Entfernungen in Bakteriengemeinschaften über offene Flüssigkeitskanäle.

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

Spiralwellen, abgebildet in lebenden menschlichen Herzen.

Pilus-Motoren

Diese Spiralwellen, wie sie die Forscher bei Bakterien beobachten, sind ein neu auftretendes 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 Pilusmotoren, die der Schlüssel zu den Spiralwellen sind.

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

„Die sich ausbreitenden Spiralwellen resultierten aus der koordinierten Aktivität des Pilusmotors, einem Enterhaken-ähnlichen beweglichen Organell, das in vielen Bakterienarten vorkommt“, erklärte ein Mitautor der Studie, Dr. Yilin Wu.

Die mechanischen Bewegungen der Pilusmotoren führen bei vielen Bakterien zu diesen Spiralwellen, die wie Wellen auf der Bakterienoberfläche wirken.

Proteinmarker und gekoppelte Oszillatoren

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

Die Forscher verwendeten fluoreszierendes Protein als Marker. 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 nutzten die Marker auch zur Verfolgung der Zelldichte, um die räumliche Verteilung der Zellen innerhalb der Bakterienpopulationen sichtbar zu machen.

Um die Rolle der Pilus-Motoraktivität bei der Erzeugung von Spiralwellen besser zu verstehen, behandelten die Forscher Bakterienpopulationen mit Medikamenten, von denen bekannt ist, dass sie die Pilus-Motoraktivität beeinflussen. Durch die Beobachtung der Auswirkungen dieser Behandlungen auf die Wellendynamik konnten sie auf die Bedeutung von Pilusmotoren bei der Wellenbildung schließen.

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 selbsttragend und stabil waren und nahezu stationäre Spiralkerne hatten.

Diese Stabilität ist eine Eigenschaft, die bestimmte Arten elektrischer und chemischer Spiralwellen teilen, die in anderen lebenden Systemen vorkommen. Allerdings unterscheiden sich die bei den Bakterien beobachteten Spiralwellen von den 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 den Spiralwellen in den meisten chemischen/biologischen Prozessen, bei denen die Spiralwellen oszillieren.“ chemische Konzentration.“

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

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

Im Wesentlichen bedeutet dies, dass diese Interaktionen zu einer Form der Selbstorganisation (oder Erhaltung) führen können, die kollektives Verhalten in großem Maßstab oder neu auftretende Phänomene wie die Ausbreitung von Spiralwellen hervorruft.

Biofilme und Ausbreitung

Die Ergebnisse geben Aufschluss über Bakterienpopulationen und -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 bekannt ist, sodass die Bakterien in eine EPS-Matrix eingebettet sind und die Bakterien vor Umweltbelastungen wie Antibiotika und Immunreaktionen des Wirts schützen.

Dieser gesamte Prozess, der als Bildung von Biofilmen bezeichnet wird, ist für das Überleben von Bakterienkolonien unerlässlich. Das Gegenteil dieses Phänomens – die Ausbreitung – ist ebenso wichtig.

Wenn sich Bakterien innerhalb eines Biofilms lösen und an neue Orte ausbreiten, spricht man von Ausbreitung. Die Ausbreitung kann als Reaktion auf Umwelteinflüsse, Nährstoffverfügbarkeit oder als Teil des Lebenszyklus der Bakterien 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.

Die Forscher gehen davon aus, dass die Pilus-Motoren nicht nur als mechanische Aktuatoren, sondern auch als Sensoren dienen. Das bedeutet, dass sie mechanische Reize in der Umgebung erkennen können, was synchronisierte Bewegungen innerhalb von Bakterienpopulationen ermöglicht.

„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 stationäre Spiralwellen in vielen verschiedenen Systemen vor. „Das Wellenmuster in der von Pilusen angetriebenen Bakteriensubstanz könnte daher ein nachvollziehbares mechanisches Analogon für die Untersuchung des Ursprungs und der Kontrolle stabiler Spiralwellen in verschiedenen lebenden Systemen wie Herzgewebe liefern“, erklärte Dr. Liu.

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

„Die Informationen können die Kontrolle stabiler Spiralwellen in anderen lebenden Systemen leiten. Beispielsweise die Kontrolle von Spiralwellen in Herzgeweben, die mit lebensbedrohlichen Herzrhythmusstörungen verbunden sind“, sagte Dr. Wu.

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