Figuren kombinerar den konfokala mikroskopibilden av sporozoitvirvlar med ögonblicksbilden av en agentbaserad datorsimulering av dessa virvlar. Kredit:Källa:Frischknecht-gruppen och Schwarz-gruppen (Paper in Nature Physics)
Sjukdomen malaria utlöses av encelliga parasiter som ackumuleras i stora grupper i myggornas spottkörtlar innan de överförs till människor. Det begränsade utrymmet där hindrar dem från att faktiskt röra sig, om inte denna begränsning hävs med hjälp av lämpliga experimentella förberedelser. I just en sådan uppsättning experiment har forskare vid Heidelbergs universitet satt patogenerna i rörelse och analyserat de förvärvade bilddata med hjälp av banbrytande metoder för bildbehandling. Data visar att de kollektivt rörliga patogenerna bildar virvelsystem som till stor del bestäms av fysikaliska principer. Särskilda datorsimuleringar hjälpte till att identifiera mekanismerna bakom dessa roterande rörelser.
Den kollektiva förflyttningen av biologiska organismer är ett vanligt fenomen i den naturliga världen. Insekter och fiskar, till exempel, tenderar att röra sig i svärmar. Ofta sker kollektiv rörelse även på cellnivå, som när cancerceller migrerar från en tumör eller bakterier bildar en biofilm. Många individers samarbete kan ge upphov till så kallat emergent beteende – nya egenskaper som annars inte skulle existera i denna form.
"Inom fysiken skapar kollektivitet så viktiga processer som fasövergångar, supraledning och magnetiska egenskaper", förklarar Prof. Dr. Ulrich Schwarz, chef för arbetsgruppen Physics of Complex Biosystems vid Institutet för teoretisk fysik vid Heidelbergs universitet. I en tvärvetenskaplig studie tillsammans med Prof. Dr. Friedrich Frischknecht (malariaforskning) och Prof. Dr. Karl Rohr (biomedicinsk bildanalys) har han visat att kollektiv rörelse även kan förekomma i Plasmodium, malarias orsak.
Den encelliga organismen injiceras i huden genom ett myggbett och utvecklas först i levern och sedan i blodet. Eftersom Plasmodium fungerar som en enda cell i de flesta av dess stadier, har dess kollektiva egenskaper hittills knappast studerats. I myggans spottkörtel har parasiten en lång och krökt form, som liknar en halvmåne, och är känd som en sporozoit. "Så fort sporozoiter injiceras i huden av myggan börjar enskilda parasiter snabbt röra sig mot blodkärlen. Detta är den kritiska fasen av infektionen, eftersom den bara är framgångsrik om en patogen når blodomloppet", säger prof. Frischknecht.
I sina studier vid Center for Infectious Diseases vid Heidelbergs universitetssjukhus upptäckte Friedrich Frischknecht och hans team att parasiterna i infekterade spottkörtlar kan mobiliseras som ett kollektiv. För att göra det dissekeras spottkörtlarna från myggan och pressas försiktigt mellan två små glasplattor. Forskarna blev förvånade när de upptäckte att de halvmåneformade cellerna bildar roterande virvlar i det nya preparatet. De påminner om bakteriers eller fiskars kollektiva rörelser, även om de skiljer sig åt genom att de alltid roterar åt samma håll. Parasitvirvlarna har därför en kiral karaktär och — likaså oväntat — fluktuerar i storlek. Enligt Prof. Frischknecht pekar dessa svängningar på framväxande egenskaper, eftersom de bara är möjliga i kollektivet av de rörliga cellerna och växer sig starkare i större virvlar.
För att förstå dessa fenomen mer exakt analyserades experimentdata kvantitativt. Grupperna Ulrich Schwarz och Karl Rohr, chef för Biomedical Computer Vision Group vid BioQuant Center vid Heidelberg University, använde banbrytande metoder för bildbehandling för detta ändamål. De kunde spåra enskilda parasiter i de roterande virvlarna och mäta både deras hastighet och krökning.
Med hjälp av så kallade agentbaserade datorsimuleringar var det möjligt att exakt identifiera de lagar som kan förklara alla aspekter av de experimentella observationerna. Samspelet mellan aktiv rörelse, cellens krökta form och kiralitet i kombination med mekanisk flexibilitet är tillräckligt för att förklara sorterings- och svängningsfenomenen i parasitvirvlarna. Svängningarna som forskarna observerade uppstår på grund av att de enskilda patogenernas rörelse omvandlas till elastisk energi som lagras i virveln. "Vårt nya modellsystem erbjuder möjligheten att bättre förstå fysiken hos kollektiv med elastiska egenskaper och kanske göra dem användbara för tekniska tillämpningar i framtiden", säger fysikern Ulrich Schwarz.
I nästa steg kommer forskarna att undersöka exakt hur rörelsens kiralitet kommer till. Strukturen hos sporozoiter antyder olika möjligheter som kan studeras i experiment med genetiska mutationer. Inledande datorsimuleringar har redan visat att de höger- och vänstersvängande parasiterna snabbt segregerar och genererar separata virvelsystem. En bättre förståelse för de underliggande molekylära mekanismerna skulle kunna öppna nya vägar för att störa sporozoiters rörelse i början av varje malariainfektion. "I alla händelser har vår studie visat att mekaniken hos patogenerna spelar en extremt viktig och hittills förbisedd roll - ett fynd som också öppnar upp nya perspektiv för medicinska ingrepp", säger Frischknecht.
Forskningsarbetet utfördes inom ramen för Collaborative Research Center 1129, "Integrative Analysis of Pathogen Replication and Spread", baserat vid den medicinska fakulteten Heidelberg vid Heidelberg University. Resultaten av den tvärvetenskapliga studien publicerades i tidskriften Nature Physics . + Utforska vidare
