Skogslevande bakterier som är kända för att bilda slemmiga svärmar som förgriper sig på andra mikrober kan också samarbeta för att bygga svampliknande överlevnadsskydd som kallas fruktkroppar när det är ont om mat. Nu har ett team vid Princeton University upptäckt fysiken bakom hur dessa stavformade bakterier, som passar in i mönster som de på fingeravtrycksvirvlar och flytande kristallskärmar, bygga lagren av dessa fruktkroppar. Studien publicerades i Naturfysik .

"På vissa sätt, dessa bakterier lär oss nya typer av fysik, sa Joshua Shaevitz, professor i fysik och Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics. "Dessa frågor finns i skärningspunkten mellan fysik och biologi. Och du måste förstå båda för att förstå dessa organismer."

Myxococcus xanthus, eller Myxo för kort, är en bakterieart som kan överraskande samarbeta. Till exempel, ett stort antal Myxo -celler samlas för att jaga andra bakterier genom att svärma mot sitt byte i en enda böljande massa.

När det är ont om mat, dock, de stavliknande cellerna staplas ovanpå varandra för att bilda squishy utväxter som kallas fruktkroppar, som är gömställen där några av Myxo -cellerna omvandlas till sporer som kan starta om befolkningen när färska näringsämnen kommer. Men tills nu, forskare har inte förstått hur stavarna får förmågan att börja klättra ovanpå varandra för att bygga de droppliknande strukturerna.

För att ta reda på mer om hur dessa bakterier beter sig, forskarna satte upp ett mikroskop som kunde spåra Myxos handlingar i tre dimensioner. Forskarna spelade in videor av de stavformade mikroberna, som packar tätt ihop som stampade gnuer, rusar över mikroskopskålen i strängar som virvlar runt varandra, bildar fingeravtrycksliknande mönster.

När två strängar möts, forskarna observerade, skärningspunkten var exakt där det nya lagret av celler började bildas. Bakterierna började hopa sig och skapade en situation där den enda riktningen att gå var uppåt.

"Vi fann att dessa bakterier utnyttjar särskilda punkter i cellinriktningen där spänningar byggs upp som gör det möjligt för kolonin att konstruera nya cellskikt, den ena på den andra, sa Ricard Alert, en postdoktor vid Princeton Center for Theoretical Science och en av studiens första författare. "Och det är i slutändan hur den här kolonin svarar på svält."

Forskare kallar punkterna där de samlande cellerna kolliderar för "topologiska defekter, "en term som hänvisar till matematiken som beskriver dessa singulära punkter. Topologi är den gren av matematiken som hittar likheter mellan objekt som tekoppar och munkar, eftersom den ena kan sträckas ut eller deformeras till den andra.

"Vi kallar dessa punkter topologiska eftersom om du vill bli av med en enda av dessa defekter, du kan inte göra det genom en mjuk transformation - du kan inte bara störa inriktningen av cellerna för att bli av med den punkten där inriktningen går förlorad, "Alert sa. "Topologi handlar om vad du kan och inte kan göra via smidiga transformationer i matematik."

Myxo-bakterieceller beter sig ungefär som flytande kristaller, vätskorna som finns på smartphones skärmar, som är gjorda av stavformade molekyler. Till skillnad från passiva flytande kristaller, dock, Myxo-spön lever och kan krypa. Bakterierna har troligen utvecklats för att dra fördel av både passiva och aktiva faktorer för att bygga fruktkropparna, sa forskarna.

Katherine Köpenhamn, associerad forskare vid Lewis-Sigler Institute, och en co-första författare på studien, tog filmer av cellerna under mikroskopet och analyserade resultaten. Hon sa att teamet först inte var säkra på vad de tittade på.

"Vi försökte studera lagerbildning i bakterier för att ta reda på hur dessa celler bygger dessa droppar, och vi hade precis skaffat ett nytt mikroskop, så jag lade ett prov på bakterierna från ett annat projekt som inte hade med lagerbildning att göra under mikroskopet och avbildade det i några timmar, "Sa Köpenhamn." Nästa gång vår grupp träffades, Jag sa 'Jag har den här videon, så låt oss ta en titt på det.' Och vi blev fascinerade av det vi såg. "

Kombinationen av fysik- och biologiutbildning bland forskarna gjorde det möjligt för dem att känna igen nya teoretiska insikter om hur de vertikala lagren bildas. "Det säger något om värdet av samarbetskulturen på Princeton, sa Ned Wingreen, Howard A. Prior Professor in the Life Sciences, professor i molekylärbiologi och Lewis-Sigler Institute. "Vi chattar med varandra och delar galna idéer och visar intressanta data för varandra."

"Ett ögonblick som jag minns ganska levande, "Alert sa, "tittar på dessa videor i början av det här projektet och börjar inse, vänta, bildas lager exakt där de topologiska defekterna finns? Kan det vara sant? "För att utforska resultaten, han följde upp studierna genom att bekräfta dem med numeriska och analytiska beräkningar.

"Den första insikten som kom bara genom att titta på dessa filmer, det var ett coolt ögonblick, " han sa.