• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Ny matematisk modell:Hur farliga bakterier bildar kolonier

    Bakteriearten Neisseria gonorrhoeae, patogen för den sexuellt överförbara sjukdomen gonorré, bildar stora kolonier inom några timmar, som består av flera tusen celler. Kredit:Nicolas Biais / Brooklyn College

    Det kan observeras varje gång du duschar:Små vattendroppar går samman och bildar större och större droppar — tills de är så tunga att de rinner nerför väggen. Forskare kallar detta dagliga fenomen för koalescens - vilket överraskande nog också ger nyckeln till att förstå hur bakterier bildar kolonier. Forskare vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin (MPZPM) i Erlangen och Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems i Dresden (MPI-PKS) har nu lyckats utveckla en statistisk modell för att beskriva bildningen, dynamik och mekanik hos sådana cellaggregat. De har publicerat sina resultat i den prestigefyllda tidskriften Fysiska granskningsbrev .

    När bakterier erövrar nya territorier, en av deras första uppgifter är att gå samman och bilda mikroskopiska kolonier. Inom dessa samhällen, mikroorganismerna är bättre skyddade mot krafter, antibiotika och andra negativa influenser än enskilda individer — och därmed farligare för människor och andra organismer. Detta gäller även gonokocker (Neisseria gonorrhoeae), som bildar sfäriska cellkluster på mänsklig (slem) hud inom några timmar, bestående av flera tusen encelliga organismer. Dessa strukturer är de faktiska patogena enheterna, orsaken till världens näst vanligaste sexuellt överförbara sjukdom, gonorré.

    Som många andra bakterier, N. gonorrhoeae har länge, mobil, trådliknande förlängningar. De använder dessa pili för att hålla fast vid ytor och flytta runt. Bihangen interagerar också med varandra och länkar aktivt samman för att bilda kolonier. Sett under mikroskopet, denna process liknar sammansmältningen av vattendroppar.

    Forskare från Erlangen och Dresden har nu lyckats beskriva detta beteende hos N. gonorrhoeae matematiskt. Kredit:Hui-Shun Kuan / FAU

    Cellförlängningar bestämmer avsevärt egenskaperna hos bakteriekolonier

    I ett gemensamt projekt ledd av postdoc Dr. Hui-Shun Kuan (FAU), tidigare Ph.D. student Wolfram Pönisch (nu postdoc vid University of Cambridge), Professor Frank Jülicher (MPI-PKS) och professor Vasily Zaburdaev, innehavare av ordföranden för matematik i livsvetenskaperna vid FAU och ledamot av den vetenskapliga styrelsen för MPZPM, har utvecklat en teori för att beskriva dessa processer med metoder från statistisk fysik. Som utgångspunkt för deras modell, de använder krafterna som utövas mellan bakterierna via pili. På det här sättet, de lyckades matematiskt rekonstruera utvecklingen av kolonier. Processen är analog med kondensation av en vätska eller separation av två faser, som vatten och olja. När antalet mikrober per ytenhet överskrider en viss gräns, de går spontant samman och bildar en tät droppe omgiven av endast ett fåtal individuella celler.

    Dessa celldroppar är viskoelastiska:De reagerar elastiskt på snabb deformation och rör sig som en trögflytande vätska under längre tidsperioder. Det respektive beteendet de uppvisar beror på om nätverket av sammanvävda pili har tillräckligt med tid att ordna om sig själv. Forskarnas modell visar vilken central roll dessa trådliknande projektioner spelar i bildandet av kolonier och hur de bestämmer deras mekaniska egenskaper.

    Fynden kan generaliseras och även användas för att beskriva mekaniken och dynamiken hos täta cellsammansättningar som solida tumörer eller vävnad. Teorin kan därmed hjälpa läkare att identifiera potentiella mål för att bromsa eller till och med stoppa bildandet av bakteriekolonier eller tumörer med nya aktiva substanser.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com