Dansen op microschaal: Wetenschappers laten bacteriën synchroon bewegen
Onderzoekers van de TU Delft hebben ontdekt dat E. coli-bacteriën hun bewegingen kunnen synchroniseren. Daarmee brengen ze orde in een ogenschijnlijk chaotisch biologisch systeem. Door bacteriën te vangen in kleine, cirkelvormige holtes en deze met smalle kanaaltjes aan elkaar te koppelen, zagen de onderzoekers hoe de bacteriën hun bewegingen op elkaar afstemden. Deze bevindingen, die mogelijk van pas komen bij het ontwikkelen van regelbare biologische netwerken, zijn onlangs gepubliceerd in Small.
Van een publiek dat in hetzelfde ritme klapt tot vuurvliegjes die synchroon oplichten of spreeuwen die bewegen als één – synchronisatie is een fenomeen dat je op allerlei plekken tegenkomt. Voor het eerst beschreven door Christiaan Huygens in de 17e eeuw, werd synchronisatie beroemd geïllustreerd door de synchroon zwaaiende slingerklokken die hij bouwde. Nu hebben TU Delft onderzoekers laten zien dat zelfs de microscopisch kleine E. coli-bacteriën dit kunstje kunnen.
“Dit was een bijzonder moment voor ons,” vertelt Farbod Alijani, universitair hoofddocent bij de faculteit Mechanical Engineering. “Bacteriën die als het ware ‘in sync’ dansen, is niet alleen prachtig om te zien, maar helpt ons ook beter te begrijpen hoe zelforganisatie op microscopisch niveau werkt.”
Dansende bacteriën
Samen met hoogleraar Cees Dekker en de TU Delft spin-off SoundCell ontwikkelde het team piepkleine holtes waarin individuele bacteriën gevangen werden. Binnen deze holtes begonnen de bacteriën met de klok mee te draaien. Toen twee van deze holtes via een klein kanaal met elkaar verbonden werden, gebeurde er iets bijzonders: de bacteriën begonnen na een tijdje hun bewegingen te synchroniseren.
“Die synchronisatie ontstaat door hydrodynamische interacties die worden veroorzaakt door de beweging van bacteriën in het gekoppelde systeem,” legt Alijani uit. Het team ontdekte zelfs dat deze gecoördineerde bewegingen voldoen aan wiskundige wetten die je ook bij andere vormen van synchronisatie ziet.
F. (Farbod) Alijani
Van losse bacteriën naar netwerken
De resultaten bieden interessante mogelijkheden. Zo zouden ze kunnen helpen bij het ontwerpen van microtools waarmee je bewegingen in bacteriële systemen kunt sturen en synchroniseren. Hiermee kunnen wetenschappers beter de bacteriële beweeglijkheid en coördinatie in afgesloten omgevingen bestuderen, wat leidt tot meer begrip van microbiële systemen als geheel.
Het onderzoeksteam gaat nu een stap verder door meerdere holtes te koppelen en netwerken van bacteriën te maken die synchroon bewegen. “We willen onderzoeken hoe zulke netwerken zich gedragen en of we nog ingewikkeldere en dynamische bewegingen kunnen ontwerpen,” zegt Alijani.
Nieuwe kansen voor medicijnonderzoek
Hoewel het vooral fundamenteel onderzoek is, zijn er verrassend veel praktische toepassingen denkbaar. “Je zou dit bijvoorbeeld kunnen gebruiken voor het testen van medicijnen,” zegt Alijani. “Door te meten hoe de bewegingen en krachten van bacteriën veranderen nadat je antibiotica toevoegt, kun je hun effectiviteit beoordelen.”
Dit onderzoek bouwt voort op eerder werk van het team, waarbij ze voor het eerst het geluid van een enkele bacterie opnamen met grafeen. “We waren benieuwd of we orde konden scheppen in de chaotische trillingen die we observeerden,” vertelt Alijani. Waar de wetenschappers eerder de soundtrack van bacteriën vastlegden, dirigeren ze nu hun ‘tango’.
Vragen?
Neem contact op met persvoorlichter Fien Bosman: F.J.Bosman@tudelft.nl, 06 24953733