Med hot om att skuras bort med desinfektionsmedel, enskilda bakterier kan förbättra sina chanser att överleva genom att gå samman för att bilda kolonier, kallas biofilmer. Vad Arnold Mathijssen, postdoktor i bioteknik vid Stanford University, ville förstå var hur stationära biofilmer hittar mat när de har slukt närliggande näringsämnen.

Att leda ett internationellt team av forskare i att skapa simuleringar av hur vätskor rör sig, Mathijssen fann att enskilda bakterier och biofilmer kan generera strömmar som är tillräckligt starka för att dra avlägsna näringsämnen.

I sitt arbete, publicerad 11 december in Fysiska granskningsbrev , forskarna kunde hitta förutsägbara mönster av hur vätskor rör sig baserat på biofilmernas allmänna former, insikter som kan hitta tillämpningar inom många områden.

"Det finns en mycket stark universalitet i mikrohydrodynamikens fysikaliska egenskaper, sade Mathijssen, som arbetar i Manu Prakashs labb, docent i bioteknik. "Vi har pratat om bakterier men vi skulle kunna ersätta ordet "organism" med "mikrorobot" och fysiken skulle vara exakt densamma."

Börjar enkelt

När bakterier rör sig, de stör vätskorna som omger dem i den mikroskopiska världen. Forskarna undersökte styrkan av denna störning i en enda bakterie som rör sig på ett sätt som liknar många patogena arter, inklusive de som orsakar gastrit och kolera. De upptäckte att när denna bakterie simmar framåt, det skapar en liten men stabil ström i den omgivande vätskan med vätska som rör sig mot dess centrum och bort från huvudet och svansen.

Sedan, de beräknade flödena som producerades av en koloni av slumpmässigt arrangerade bakterier och blev förvånade över att se att det skapade en stark, konstant tidvatten som kan dra in näringsämnen. Detta inträffade oavsett orienteringen av varje bakterie så länge som kolonin var tjockare i vissa områden än andra, vilket får vätska att flytta från höga punkter till låga punkter. Simuleringar av mer ordnade bakterier resulterade i ännu starkare cirkulation.

Inom organiserade biofilmer, forskarna fann två vanliga rörelsemönster:virvlar och astrar. I ett virvelmönster, bakterierna rör sig i koncentriska cirklar och producerar ett flöde som för ner näringsämnen till biofilmens centrum och sedan trycker ut vätskan på sidorna. I ett astermönster, bakterierna rör sig mot en central punkt, skapar ett flöde som rör sig från kanten av biofilmen tills den stiger upp igen, över centrum.

"Det kraftfulla med det här är att du kan lägga till dessa mönster, ", sa Mathijssen. "Istället för att behöva känna till varenda bakteries position och orientering, du behöver bara känna till de grundläggande mönstren som utgör kolonin och då är det väldigt lätt att härleda det övergripande transportflödet."

Forskarna kunde kombinera virvel- och astermönster i en enda biofilm för att bestämma hur bakterierna skulle trycka, dra och virvla runt vätskorna. Som ett sista test, forskarna gjorde beräkningar som representerade komplexet, realistisk rörelse av bakterier som svärmar – som de kan på ytan av ett bord – och förutspådde styrkan i den svärmens transportflöde. Resultatet var stora virvlar som sträckte sig över avstånd utanför biofilmens gränser, lämplig för att hålla kolonin matad.

Att se vad som är gömt

Detta arbete började med enkel nyfikenhet på det osynliga flödet av vätskor runt bakterier. Men vad forskarna upptäckte kan vara ganska praktiskt – vägledande sätt att skära av en smittsam biofilms källa till mat, till exempel. Vad mer, eftersom det bara tar hänsyn till en bakteries former och rörelse, forskningen kan också tillämpas på livlösa föremål som mekanismer för tillförsel av syntetiska droger eller mikrorobotar.

"Detta började som ett relativt grundläggande problem men visade sig vara mer relevant för biomedicinska tillämpningar än vi skulle ha förutspått, ", sa Mathijssen. "Det är det som retar mig:vi snubblade precis på en idé som av nyfikenhet, drev oss i en helt annan riktning än där vi började och det vi hittade har mycket potential."