Naukowcy z TU Delft odkryli, że bakterie E. coli mogą synchronizować swoje ruchy w zaprojektowanych mikrownękach, otwierając nowe możliwości badania i projektowania systemów biologicznych.
Naukowcy z TU Delft odkryli, że bakterie E. coli potrafią synchronizować swoje ruchy, tworząc porządek w pozornie przypadkowych układach biologicznych. Łapiąc pojedyncze bakterie w okrągłych wgłębieniach zaprojektowanych przez mikroinżynierię i łącząc te wnęki wąskimi kanałami, zespół zaobserwował skoordynowany ruch bakterii.
Ich odkrycia, które mają potencjalne zastosowania w inżynierii sterowanych sieci oscylatorów biologicznych, zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie Mały.
Publiczność klaszcząca w rytmie, zgodnie migające świetliki czy poruszające się w jednym rytm stada szpaków – synchronizacja jest naturalnym zjawiskiem obserwowanym w różnych systemach i skalach. Synchronizacja, opisana po raz pierwszy w XVII wieku przez Christiaana Huygensa, została słynnie zilustrowana przez wyrównane wahnięcia jego zegarów wahadłowych. Teraz badacze z TU Delft wykazali, że nawet bakterie E. coli – organizmy jednokomórkowe o długości zaledwie kilku mikrometrów – mogą wykazywać to samo zjawisko.
„To był niezwykły moment dla naszego zespołu” – powiedział Farbod Alijani, profesor nadzwyczajny na Wydziale Inżynierii Mechanicznej. „Obserwowanie „synchronicznego tańca” bakterii nie tylko ukazuje piękno natury, ale także pogłębia nasze zrozumienie mikroskopijnych początków samoorganizacji wśród najmniejszych żywych organizmów”.
Zsynchronizowany ruch
Zespół Alijaniego wraz z profesorem TU Delft Ceesem Dekkerem i wydzieloną z TU Delft firmą SoundCell osiągnęli ten cel dzięki zastosowaniu precyzyjnie zaprojektowanych mikrownęk, które zatrzymują pojedyncze komórki E. coli z populacji masowej. Wewnątrz tych okrągłych wnęk bakterie zaczęły wykazywać ruch obrotowy podobny do zegarów wahadłowych. Łącząc dwie z tych jam maleńkim kanałem, naukowcy zaobserwowali, że po pewnym czasie obie bakterie zaczęły synchronizować swoje ruchy.
Mali tancerze: naukowcy synchronizują ruch bakterii. Źródło: TU Delft
„Ta synchronizacja zachodzi na skutek oddziaływań hydrodynamicznych wywołanych ruchem bakterii w połączonym układzie” – wyjaśnia Alijani. Zespół określił ilościowo tę siłę sprzężenia i odkrył, że skoordynowany ruch bakterii jest zgodny z uniwersalnymi matematycznymi zasadami synchronizacji.
W stronę sieci skoordynowanego ruchu
Odkrycia są niezwykle obiecujące, torując drogę do zaprojektowania mikronarzędzi zdolnych do wywoływania kontrolowanych oscylacji i synchronizacji w układach bakteryjnych. Narzędzia takie mogłyby pomóc naukowcom w badaniu ruchliwości i koordynacji bakterii w zamkniętych środowiskach, zapewniając lepsze zrozumienie materii czynnej drobnoustrojów.
Zespół bada obecnie bardziej złożone systemy, łącząc wiele wnęk w celu utworzenia sieci zsynchronizowanych bakterii. „Chcemy odkryć, jak zachowują się te sieci i czy możemy zaprojektować jeszcze bardziej wyrafinowane ruchy dynamiczne” – dodaje Alijani.
Możliwości badań przesiewowych narkotyków
Chociaż badania te mają przede wszystkim charakter fundamentalny, ich potencjalne zastosowania są szerokie. „Mogłoby to nawet zapewnić nowatorskie podejście do badań przesiewowych leków, na przykład poprzez pomiar zmian przepływu płynów i sił powodowanych przez ruch bakterii przed podaniem antybiotyków i po podaniu antybiotyków” – sugeruje Alijani.
Inspiracją do badania były wcześniejsze prace, podczas których zespół Alijaniego zarejestrował pierwszy w historii dźwięk pojedynczej bakterii za pomocą grafen bęben. „Byliśmy ciekawi, czy moglibyśmy pójść o krok dalej i stworzyć porządek z chaotycznych oscylacji, które zaobserwowaliśmy” – mówi Alijani. Dzięki temu badaniu przeszli od nagrywania ścieżki dźwiękowej pojedynczej bakterii do orkiestrowania swojego „tanga”.
Odniesienie: „Synchronization of E. coli Bacteria Moving in Coupled Microwells” Aleksandre Japaridze, Victor Struijk, Kushal Swamy, Ireneusz Rosłoń, Oriel Shoshani, Cees Dekker i Farbod Alijani, 25 listopada 2024 r., Mały.
DOI: 10.1002/smll.202407832
